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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Turbinentechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine, wobei die Zufuhr von Arbeitsfluid über zumindest zwei Ventile erfolgt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Turbinensystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Turbinensystems.
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Zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie werden häufig Turbinen eingesetzt. Eine Turbine kann grundsätzlich mit einer Vielzahl von Strömungsmedien betrieben werden, welchen beim Durchgang durch die Turbine thermodynamische Energie entzogen und in mechanischer Energie umgewandelt wird, die insbesondere an einer Welle der Turbine ausgegeben wird. Ein Strömungsmedium wird häufig (und auch in diesem Dokument) als Arbeitsfluid bezeichnet. Besonders häufig wird als Arbeitsfluid Dampf, insbesondere Wasserdampf, verwendet. Eine mit Dampf betriebene Turbine wird deshalb auch als Dampfturbine bezeichnet.
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Eine Steuerung oder eine Regelung der Leistung einer Turbine kann mittels einem oder mittels mehrerer Ventile erfolgen, durch welche das Arbeitsfluid strömen muss, bevor es in einen Arbeitsraum der Turbine abgegeben wird. Bei einer Einstellung eines Ventils wird typischerweise dessen Öffnungsquerschnitt eingestellt, welcher wiederum direkt mit der durch das betreffende Ventil strömenden Menge an Arbeitsfluid zusammenhängt. Auf diese Weise kann die Leistung einer Turbine durch Einstellung einer geeigneten Menge an pro Zeiteinheit in den Arbeitsraum einströmendem Arbeitsfluid an eine bestimmte Lastanforderung einer der Turbine nachgeschalteten Arbeitsmaschine bzw. an das Angebot eines vorgelagerten Erzeugers von Arbeitsfluid (z.B. eines Dampferzeugers) angepasst werden. Anders ausgedrückt erfolgt durch eine Verengung des Öffnungsquerschnitts eine Drosselung des Arbeitsfluides, was einen energetischen Verlust darstellt.
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Bei einem Einsatz von mehreren Ventilen wird der zuströmende Fluidstrom auf mehrere Zuströmkammern aufgeteilt, welche typicherweise in einem der betreffenden Turbine vorgeschalteten sog. Einströmgehäuse ausgebildet sind. Dabei ist in der Regel jede Zuströmkammer einer Arbeitsfluid-Abgabeeinrichtung, beispielsweise eine Gruppe von Düsen, zugeordnet ist. Eine Aufteilung des Gesamtstroms an Arbeitsfluid in mehrere Teilfluidströme kann zur Verbesserung des Wirkungsgrades insbesondere in einem Teillastbetrieb der Turbine führen. Der Vorteil des Einsatzes von mehreren Ventilen im Vergleich zum Einsatz von nur einem Ventil besteht u.a. darin, dass nur jeweils ein Teilmassenstrom des Arbeitsfluids gedrosselt werden muss.
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Die Aufteilung des Fluidstroms auf die verschiedenen Ventile erfolgt typischerweise gemäß zu erwartenden Lastpunkte, welche üblicherweise von einem Betreiber der Turbine vorgegeben werden. Die Ansteuerung der einzelnen Ventile erfolgt in der Regel mittels einer Mechanik oder einer Steuerung, durch welche die Einzelventile bei einem (monotonen) Anstieg der Turbinenleistung in einer festen Reihenfolge geöffnet und bei einer (monotonen) Reduzierung der Turbinenleistung in der entgegengesetzten Reihenfolge geschlossen werden. So ist es beispielsweise bekannt, die verschiedenen Ventile mit unterschiedlich starken Federn auszustatten und mit einer gemeinsamen Hydraulik (beispielsweise einer gemeinsamen Öldruckleitung) zu betätigen. Dann wird die Öffnungsreihenfolge durch die Stärke der einzelnen Ventilfedern bestimmt, wobei sich bei steigenden Druck zunächst das Ventil mit der schwächsten Feder und danach sukzessive die Ventile mit stärkeren Federn öffnen. Abhängig von dem Eintritts− und dem Austrittszustands des Arbeitsfluids kann dadurch erreicht werden, dass bei den durch die jeweilige Federkonstante bestimmten Auslegungspunkten der einzelnen Ventile diese möglichst voll geöffnet sind und somit die Drosselverluste minimiert sind.
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Falls eine Turbine jedoch in stark unterschiedlichen Betriebsbedingungen und insbesondere mit stark unterschiedlichen Lastpunkten betrieben werden soll, ist es häufig nicht möglich, den Zustrom an Arbeitsfluid in optimaler Weise einzustellen. Dadurch wird die Effizienz der Turbine reduziert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz einer Turbine, welche stark schwankenden Lastanforderungen ausgesetzt ist, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung dieser Erfindung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Verteilerkammer, in welche über einen Fluideinlass das Arbeitsfluid einführbar ist, (b) eine erste Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer ersten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, (c) eine zweite Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer zweiten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil das Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, (d) ein erstes Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der ersten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines ersten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der ersten Zuströmkammer, (e) ein zweites Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der zweiten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines zweiten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der zweiten Zuströmkammer, wobei die beiden Ventile auf unterschiedliche Ströme von Arbeitsfluid ausgelegt sind, und (f) eine Steuereinrichtung, welche mit dem ersten Ventil und mit dem zweiten Ventil gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, jedes der beiden Ventile unabhängig von dem anderen der beiden Ventile anzusteuern.
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Der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine unabhängige Ansteuerung der beiden Ventile, welche für jedes Ventil die Einstellung eines individuellen Öffnungsquerschnitts ermöglicht, die gesamte Menge bzw. die Gesamtstärke an der Turbine zugeführtem Arbeitsfluid so auf die beiden Zuströmkammern aufgeteilt werden kann, dass der Wirkungsgrad der Turbine insbesondere im Teillastbereich optimiert ist.
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So kann es beispielsweise hinsichtlich der Effizienz des Turbinenbetriebs sinnvoll sein, bei einem langsamen Hochfahren der Leistung der Turbine zunächst lediglich dasjenige Ventil zu Öffnen, welches auf den kleineren Strom von Arbeitsfluid ausgelegt ist. Wenn dann die Turbinenleistung einen Wert übersteigen soll, welcher bei einer vollständigen Öffnung des auf den kleineren Strom ausgelegten Ventils erreicht werden kann, dann kann dieses Ventil vollständig geschlossen und das andere auf den größeren Strom von Arbeitsfluid ausgelegte Ventil entsprechend weiter geöffnet werden. Erst wenn zur weiteren Erhöhung der Turbinenleistung der Strom an Arbeitsfluid nicht mehr alleine durch das auf den größeren Strom von Arbeitsfluid ausgelegte Ventil strömen kann, wird dann zusätzlich wieder das auf den kleineren Strom ausgelegte Ventil geöffnet. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Steuerungsverlauf, welcher sich von einer herkömmlichen Ventilansteuerlogik dadurch unterscheidet, dass die durch die beiden Ventile fließende Ströme an Arbeitsfluid in beliebiger Reihenfolge zu oder abgeschaltet werden können, nur beispielhaft ist. Die ventilindividuelle Ansteuerung und damit die ventilindividuelle Einstellung des jeweiligen Stroms an Arbeitsfluid ermöglicht prinzipiell für jeden Lastpunkt der Turbine ein beliebiges und damit auch eine hinsichtlich des Wirkungsgrades der Turbine optimales Verhältnis zwischen der Stärke des ersten Stroms von Arbeitsfluid und der Stärke des zweiten Stroms von Arbeitsfluid.
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Das Auslegen eines Ventils auf einen bestimmten Bereich von Stärken von Strömen von Arbeitsfluid kann insbesondere durch eine entsprechende unterschiedliche Dimensionierung der beiden Ventile erfolgen. Eine unterschiedliche Dimensionierung kann insbesondere durch unterschiedliche Strömungsquerschnitte der Arbeitsfluid-Abgabeeinrichtungen gegeben sein.
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Unter dem verwendeten Begriff des Lastpunktes der Turbine kann insbesondere verstanden werden, dass der Energie des Arbeitsfluids von der Turbine eine bestimmte vorgegebene mechanische Leistung entnommen und an einer Welle der Turbine bereitgestellt werden soll und/oder dass der Turbine pro Zeiteinheit eine bestimmte Menge an Arbeitsfluid zur Erzeugung von mechanischer Energie bereitgestellt wird. Im ersten Fall arbeitet die Turbine besonders effizient, wenn zur Erzielung der gewünschten mechanischen Leistung möglichst wenig Arbeitsfluid benötigt wird. Im zweiten Fall arbeitet die Turbine besonders effizient, wenn mit einer bestimmten vorgegebenen Menge an Arbeitsfluid von der Turbine eine möglichst große mechanische Leistung erzeugt wird.
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Die erste Abgabeeinrichtung und/oder die zweite Abgabeeinrichtung können beispielsweise mittels einer Düse oder einer Gruppe von Düsen realisiert sein, welche in bekannter Weise den jeweiligen Teilstrom an Arbeitsfluid in die Turbine einleiten.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, den Zustrom an Arbeitsfluid in eine Turbine auf flexible Weise zu steuern. Dabei kann im Vergleich zu bekannten Mehrventil-Turbinenansteuerungen bei einer (monoton) zeitlich zunehmenden Zuströmung an Arbeitsfluid die Reihenfolge der Öffnung der einzelnen Ventile abhängig von dem aktuell vorliegenden Betriebszustand in Hinblick auf eine Optimierung des Wirkungsgrades der Turbine angepasst werden. Der Betriebszustand der Turbine kann in diesem Zusammenhang von einem aktuell vorgegebenen Lastpunkt und/oder von den aktuell vorliegenden thermodynamischen Zuständen (insbesondere Druck und Temperatur) des Arbeitsfluids beim Eintritt in die Turbine und/oder beim Austritt aus der Turbine bestimmt sein.
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Anschaulich ausgedrückt bietet die beschriebene Vorrichtung die Möglichkeit, den Betrieb einer Turbine in Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad abhängig von dem vorliegenden Lastpunkt und/oder abhängig von ggf. zeitlich veränderlichen Ein− und Austrittsbedingungen des Arbeitsfluids zu optimieren. Für eine derartige Optimierung ist es nicht erforderlich, einen laufenden Betrieb der Turbine zu unterbrechen. Somit kann bei einer Vielzahl von verschiedenen Betriebszuständen eine Wirkungsgradoptimierung unter Verwendung von nur wenigen Ventilen als Steuer- oder Regelorgane auf einfache und effiziente Weise durchgeführt werden. Der dadurch verbesserte Wirkungsgrad der Turbine kann zu einer Erhöhung der von der Turbine bereitgestellten mechanischen Arbeit und/oder zu einer Reduzierung der Menge an Arbeitsfluid führen, welche für eine bestimmte Menge an mechanischer Energie benötigt wird. Dadurch kann im realen Betrieb insbesondere bei veränderlichen Betriebsbedingungen eine erhebliche Kosteneinsparung erzielt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner ein Rückkopplungssystem auf, welches jedes der Ventile mit der Steuereinrichtung koppelt, so dass die Steuereinrichtung für jedes Ventil eine Information über die aktuelle Stellung des betreffenden Ventils erhält.
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Anschaulich ausgedrückt kann dies bedeuten, dass die Steuereinrichtung jederzeit weiß, wie die aktuellen Stellungen der einzelnen Ventile sind. Basierend auf dieser Kenntnis kann die Steuereinrichtung dann die aktuellen Ventilstellungen in Hinblick auf eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades der Turbine verändern. Damit wird es der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsfluid-Zufuhr möglich, durch eine Mehrzahl von ggf. relativ kleinen Änderungen von Ventilstellungen den Betrieb der Turbine sukzessive oder iterativ hin zu einem Betrieb mit einem optimierten Wirkungsgrad zu führen.
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Die Erfassung der aktuellen Stellung für jedes Ventil kann auf vielfältige Weise beispielsweise auf einem elektronischen, einem mechanischen, einem pneumatischen und/oder einem hydraulischen Weg erfolgen. Die eigentliche Informationsverarbeitung unter Verwendung einer Logik, welche abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand und/oder abhängig von einem Verlauf der Änderung des Betriebszustandes der Turbine die Öffnungsreihenfolge der Ventile anpasst, erfolgt typischerweise auf elektronischem Wege insbesondere unter Verwendung einer geeigneten Software. Dies bedeutet, dass abgesehen von der o.g. Stellungserfassung auf elektronischem Wege die Steuereinrichtung mehrere ggf. räumlich voneinander getrennte Komponenten aufweist, wobei die zur Stellungserfassung verwendete Komponente an die Art und Weise der Informationsübertragung (mechanisch, pneumatisch und/oder hydraulisch) angepasst ist.
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Die die Ventilstellungsinformationen verarbeitende Logik kann also während des Betriebs der Turbine die Öffnungsreihenfolge der einzelnen Ventile so anpassen, dass ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. Wie bereits oben beschrieben, kann dieser verbesserte Gesamtwirkungsgrad im Einzelfall eine verbesserte mechanische Leistungsabgabe und/oder ein verringerter Durchsatz an Arbeitsfluid sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jedes Ventil ein Stellglied auf, welches auf elektronischem und/oder optischem Wege von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass zur individuellen Ansteuerung der einzelnen Ventile lediglich eine Steuerleitung erforderlich ist, welche sich von der Steuereinrichtung zu den einzelnen Ventilen erstreckt. Die Steuerleitung kann je nach Art der Ansteuerung eine elektrische Signalleitung oder ein Lichtwellenleiter sein. Die Steuerleitung kann eine einzelne Leitung sein, an der wie bei einer Verbindung mit einem Datenbus mehrere Stellglieder angeschlossen sind. Alternativ oder in Kombination kann die Steuerleitung auch ein System aus mehreren Einzelsteuerleitungen sein, welche sich ausgehend von der Steuereinrichtung sternförmig zu jedem Ventil erstrecken. Die Datenverbindung zwischen der Steuereinrichtung und den verschiedenen Ventilen bzw. den Stellgliedern der Ventile kann damit beispielsweise abhängig von der Konstruktion der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsfluid-Zufuhr und/oder der räumlichen Anordnung der Ventile so realisiert werden, dass ausgehend von bekannten Konstruktionen lediglich geringe Umbauten erforderlich sind.
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Das Stellglied kann das ihm zugeordnete Ventil auf elektrische, mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Weise einstellen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner auf (a) eine dritte Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer dritten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, und (b) ein drittes Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der dritten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines dritten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der dritten Zuströmkammer. Dabei ist die Steuereinrichtung ferner mit dem dritten Ventil gekoppelt und eingerichtet, auch das dritte Ventil unabhängig von den anderen Ventilen anzusteuern.
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Die Verwendung eines dritten Ventils hat insbesondere den Vorteil, dass die Steuerung der Zuführ von Arbeitsfluid noch genauer an die jeweils vorliegenden Betriebszustände der Turbine angepasst und damit insbesondere bei schwankenden Betriebszuständen ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die in diesem Dokument beschriebene Logik, welche abhängig von der Änderung des Betriebszustandes aus einer Mehrzahl von möglichen Ventil-Öffnungsreihenfolgen eine geeignete Ventil-Öffnungsreihenfolge auswählt, darauf basiert, dass zumindest eines der drei Ventile auf ein andere Stärke eines Stromes von Arbeitsfluid ausgelegt ist als die anderen oder das andere der drei Ventile. Wenn nämlich alle Ventile baugleich wären, dann hätte eine Änderung bzw. eine Anpassung der Öffnungsreihenfolge keinen Einfluss auf die Gesamtmenge an Arbeitsfluid, welches der Turbine pro Zeiteinheit zugeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist (a) das erste Ventil auf einen ersten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt, (b) das zweite Ventil auf einen zweiten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt und (c) das dritte Ventil auf einen dritten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt. Dabei ist der erste Strom unterschiedlich zu dem zweiten Strom und zu dem dritten Strom und der zweite Strom ist unterschiedlich zu dem dritten Strom.
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Die unterschiedliche Auslegung der drei Ventile kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Ventile unterschiedliche Bauformen aufweisen, wobei jede Bauform insbesondere einen (maximalen) Öffnungsquerschnitt aufweist, welcher unterschiedlich zu den (maximalen) Öffnungsquerschnitten der anderen Ventile ist.
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Eine unterschiedliche Auslegung von jedem der Ventile im Vergleich zu den anderen Ventilen kann insbesondere den Vorteil haben, dass der Gesamtstrom an Arbeitsfluid durch sämtliche Ventile mit einer Vielzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen realisiert werden kann. Auf alle Fälle ist diese Vielzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen bei drei unterschiedlich ausgelegten Ventilen größer als bei lediglich zwei unterschiedlich ausgelegten Ventilen (wenn zwei der drei Ventile auf den gleichen Strom von Arbeitsfluid ausgelegt sind). Eine besonders hohe Zahl an verfügbaren Kombinationen von Öffnungsstellungen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass für den jeweils aktuell vorliegenden Betriebszustand eine möglichst optimale Kombination von Öffnungsstellung verfügbar ist, welche dann von (der Logik) der Steuereinrichtung auch eingestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner auf (a) eine weitere Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer weiteren Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, und (b) ein weiteres Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der weiteren Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines weiteren Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der weiteren Zuströmkammer. Dabei ist die Steuereinrichtung ferner mit dem weiteren Ventil gekoppelt und eingerichtet, auch das weitere Ventil unabhängig von den anderen Ventilen anzusteuern.
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Mit der Möglichkeit den Gesamtstrom an Arbeitsfluid mittels vier oder mittels sogar fünf oder mehr unterschiedlichen Pfaden, welchen jeweils ein individuell einstellbares Ventil zugeordnet ist, der Turbine zuzuführen, erhöht sich die Anzahl an verfügbaren Kombinationen von Öffnungsstellungen weiter. Demzufolge kann eine noch bessere Öffnungsreihenfolge für einen optimalen Betrieb der Turbine insbesondere bei schwankenden Betriebsbedingungen (Lastpunkte und/oder thermodynamische Ein- und Austrittsbedingungen des Arbeitsfluids) ausgewählt und damit der Wirkungsgrad der Turbine weiter verbessert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Turbinensystem beschrieben, welches aufweist (a) eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid und (b) eine der Vorrichtung (in Bezug auf die Strömung des Arbeitsfluids) nachgeschaltete Turbine, welche derart eingerichtet ist, dass die thermodynamische Energie von einem Arbeitsfluid, welches der Turbine von der Vorrichtung zugeführt wurde, zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird.
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Dem beschriebenen Turbinensystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Einsatz der oben beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu der Turbine der Wirkungsgrad der Turbine hinsichtlich der Umwandlung von thermodynamischer Energie in mechanische Energie insbesondere bei zeitlich schwankenden Betriebsbedingungen der Turbine verbessert werden kann. Dabei kann beispielsweise bei einem zeitlichen Anstieg des Gesamtstroms an Arbeitsfluid, welches der Turbine zugeführt wird, die Öffnungsreihenfolge der sukzessive zugeschalteten Ventile optimal an den (finalen) Lastpunkt angepasst werden, so dass die Turbine mit einer für einen optimalen Wirkungsgrad geeigneten Kombinationen von Öffnungsstellungen der einzelnen Ventile betrieben werden kann. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für eine zeitliche Reduzierung des Gesamtstroms an Arbeitsfluid, welches der Turbine zugeführt wird.
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Die von der Turbine bereitgestellte mechanische Energie kann insbesondere an einer Welle der Turbine beispielsweise von einer Arbeitsmaschine abgegriffen werden. Dabei kann die Arbeitsmaschine insbesondere ein elektrischer Generator sein, welcher zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Die Arbeitsmaschine kann jedoch auch eine mechanische Maschine sein, welche die mechanische Energie, die ihr von dem beschriebenen Turbinensystem bereitgestellt wird, in geeigneter Weise zur Verrichtung von mechanischen Tätigkeiten nutzt. Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise eine Pumpe, ein Verdichter, ein Ventilator und/oder eine Presse sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystem beschrieben. Das beschrieben Verfahren weist auf (a) ein Zuführen von Arbeitsfluid mittels einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer dieser Vorrichtung nachgeschalteten Turbine und (b) ein Umwandeln von zumindest einem Teil der thermodynamischen Energie des zugeführten Arbeitsfluids in mechanische Energie.
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Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine optimale Einstellung der Öffnungsstellungen einer Mehrzahl von zumindest zwei Ventilen die Zuströmung von Arbeitsfluid zu der Turbine so effizient sein kann, dass der gesamte Wirkungsgrad der Energieumwandlung verbessert werden kann.
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Bei einer (monotonen) Änderung der Gesamtmenge an pro Zeiteinheit zuzuführenden Arbeitsfluid kann dann eine ggf. voreingestellte Reihenfolge der Öffnung der einzelnen Ventile in Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad der Turbine abgeändert werden. Vielmehr kann erfindungsgemäß abhängig von einem vorliegenden Lastpunkt oder bestimmten veränderlichen thermodynamischen Ein− und Austrittsbedingungen (insbesondere Druck und Temperatur) des Arbeitsfluids die Reihenfolge des Öffnens der einzelnen Ventile, welche sich bei einer monoton veränderlichen Gesamtmenge an pro Zeiteinheit zugeführten Arbeitsfluid ergibt, an die Betriebsbedingungen angepasst werden. Dadurch kann insbesondere bei wechselnden Betriebsbedingungen die Turbine stets mit einem sehr guten Wirkungsgrad betrieben werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Zuführen des Arbeitsfluids bei einer Kombination von geöffneten Ventilen, welche zumindest annähernd vollständig geöffnet sind, so dass bei einer Erhöhung der Gesamtmenge an pro Zeiteinheit zuzuführendem Arbeitsfluid zumindest ein weiteres Ventil zumindest teilweise geöffnet werden muss. Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsverluste, welches das Arbeitsfluid durch von den Ventilen verursachte Drosselungsvorgänge erleidet, minimiert sind. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass ein lediglich teilweise geöffnetes Ventil naturgemäß zu stärkeren Strömungsverlusten führt als ein vollständig geöffnetes Ventil. Umso mehr führt eine vergleichsweise geringe Anzahl an zumindest annähernd vollständig geöffneten Ventilen zu einem deutlich geringeren Gesamtströmungsverlust als eine vergleichsweise große Anzahl von teilweise geschlossenen Ventilen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
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1 zeigt ein Turbinensystem mit einer drei individuell einstellbare Ventile aufweisenden Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine.
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2 zeigt ein Diagramm, welches in Abhängigkeit der mechanischen Ausgangsleistung einer Dampfturbine die benötigte Dampfmenge angibt, welche bei verschiedenen Öffnungsreihenfolgen von insgesamt drei Ventilen benötigt wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt ein Turbinensystem 100 gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Turbinensystem 100 weist eine Dampfturbine 170 und eine Vorrichtung 120 zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu der Dampfturbine 170 auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsfluid Wasserdampf und die Turbine ist eine Dampfturbine.
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Bezogen auf die Strömungsrichtung des Wasserdampfs ist die Dampfturbine 170 der Vorrichtung 120 nachgeschaltet. In 1 ist die Dampfturbine in einem Bereich angedeutet, in welchem sich eine nicht dargestellte Welle des Turbinensystems und eine entsprechende Wellendichtung befindet, welche die Welle gegen ein Einströmgehäuse 122 der Vorrichtung 120 abdichtet.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist in dem Einströmgehäuse 122 der Vorrichtung 120 eine Verteilerkammer 126 ausgebildet, welche über einen Fluideinlass 124 mit dem Wasserdampf befüllt wird. In dem Einströmgehäuse 122 sind ferner drei Zuströmkammern, eine erste Zuströmkammer 131, eine zweite Zuströmkammer 132 und eine dritte Zuströmkammer 133 ausgebildet. Ferner weist die Vorrichtung 120 drei Ventile, ein erstes Ventil 141, ein zweites Ventil 142 und ein drittes Ventil 143 auf, welche jeweils an einer Verbindungsstelle zwischen der Verteilerkammer 126 und einer der drei Zuströmkammern 131, 132, 133 angeordnet sind. Jedes Ventil 141, 142 und 143 weist einen Ventilsitz 141a, 142a bzw. 143a sowie einen Ventilkolben 141a, 142b bzw. 143b auf. Außerdem kann der (Öffnungs)Zustand eines jeden Ventils 141, 142 und 143 mittels eines Stellgliedes 151, 152 bzw. 153 verstellt werden.
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Die Vorrichtung 120 weist ferner eine Steuereinrichtung 150 auf, welche mittels einer Steuerleitung 155 mit jedem der drei Stellglieder 151, 152, 153 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 150 sowie die Steuerleitung 155 sind derart konfiguriert, dass jedes der drei Ventile 141, 142 und 143 unabhängig von den anderen beiden Ventilen betätigt werden kann.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerleitung 150 ferner konfiguriert, Informationen über die aktuelle Stellung (d.h. den aktuellen Öffnungszustand) der drei Ventile 141, 142 und 143 an die Steuereinrichtung 150 zu übermitteln. Demzufolge kann die Steuerleitung 150 als Teil eines Rückkopplungssystems 160 bezeichnet werden.
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Durch die individuelle Ansteuerbarkeit der drei Ventile 141, 142 und 143 und durch die genannte Rückkopplung in Bezug auf den jeweiligen Öffnungszustand kann die Steuereinrichtung 150 einen erforderlichen oder vorgegebenen Gesamtstrom an Wasserdampf mit einer Mehrzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen der drei Ventile 141, 142 und 143 realisieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, abhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen, eine in Bezug auf einen möglichst großen Wirkungsgrad der Dampfturbine 170 optimale Kombination von Öffnungsstellungen der drei Ventile 141, 142 und 143 auszuwählen. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem (monotonen) Erhöhen der Turbinenleistung nicht, wie gemäß dem Stand der Technik, eine vorgegebene Öffnungsreihenfolge eingehalten werden muss, sondern dass die Öffnungsreihenfolge an die Betriebsbedingungen und insbesondere an einen einzustellenden Lastpunkt angepasst werden kann. Nachfolgend wird ein derartiges "Aufbrechen" der Reihenfolge von Ventilöffnungen anhand eines Beispiels beschrieben.
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2 zeigt ein Diagramm 280, welches in Abhängigkeit der mechanischen Ausgangsleistung einer Dampfturbine (auf der Abszisse aufgetragen) die für zwei grundsätzlich verschiedene Öffnungsreihenfolgen oder Öffnungsfolgen von drei Ventilen benötigte Dampfmenge (auf der Ordinate aufgetragen) zeigt. Die mechanische Ausgangsleistung, welche in dem Diagramm kurz mit "Mechanische Leistung" bezeichnet ist, kann insbesondere an einer zentralen Welle des Turbinensystems abgegriffen werden.
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Bei einem sukzessiven Erhöhen der Ausgangsleistung muss zwangsläufig die Dampfmenge, die pro Zeiteinheit der Dampfturbine zugeführt wird, erhöht werden. Erfindungsgemäß kann dies durch verschiedene Öffnungs(reihen)folgen von den drei Ventilen erreicht werden.
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Mit einer durchgezogenen Linie 282 ist in dem Diagramm 280 ein erster Kurvenverlauf dargestellt, welcher sich bei einer ersten Öffnungsreihenfolge ergibt. Bei relativ geringer Ausgangsleistung wird der Wasserdampf ausschließlich über ein erstes der drei Ventile zugeführt. Nachdem bei steigender mechanischer Ausgangsleistung das erste Ventil vollständig geöffnet ist, wird, um pro Zeiteinheit eine größere Dampfmenge zuführen zu können, ein zweites der drei Ventile geöffnet. Das Zuschalten bzw. das Öffnen des zweiten Ventils ist in 2 durch den durchgezogenen Pfeil 282a gezeigt. Entsprechend wird bei weiter steigendem Bedarf an Ausgangsleistung bei einem mit dem Bezugszeichen 282b versehenen Pfeil das dritte Ventil zugeschaltet.
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Mit einer gestrichelten Linie 284 ist in dem Diagramm 280 ein zweiter Kurvenverlauf dargestellt, welcher sich bei einer zweiten Öffnungsreihenfolge ergibt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird zunächst, d.h. bei relativ geringer Ausgangsleistung, der Wasserdampf ausschließlich über das zweite Ventil zugeführt. Bei einer steigenden Anforderung an mechanischer Ausgangsleistung wird, nachdem das zweite Ventil vollständig geöffnet ist, bei der mit dem gestrichelten Pfeil 284a bezeichneten Ausgangsleistung das dritte Ventil zugeschaltet. Bei weiter steigendem Bedarf an Ausgangsleistung wird bei einem mit dem Bezugszeichen 284b versehenen gestrichelten Pfeil das erste Ventil zugeschaltet.
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Aus einem Vergleich der beiden Kurven 282 und 284 ergibt sich, dass bis zu einem mit einem X gekennzeichnet Punkt die erste Öffnungsfolge hinsichtlich der Effizienz des Turbinenbetriebs besser ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise mit einer ersten Dampfmenge DA (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LA1 abgegeben wird und bei der zweiten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LA2 abgegeben wird, welche deutlich größer ist als die Leistung LA1. In entsprechender Weise wird mit einer zweiten Dampfmenge DB (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LB1 abgegeben und bei der zweiten Öffnungsfolge wird eine mechanische Leistung LB2 abgegeben wird, welche größer ist als die Leistung LB1. Im Gegensatz dazu wird bei einer dritten Dampfmenge DC (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LC1 abgegeben und bei der zweiten Öffnungsfolge wird eine mechanische Leistung LC2 abgegeben wird, welche kleiner ist als die Leistung LC1.
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Somit ist deutlich gemacht, dass durch eine geeignete Wahl der Öffnungsreihenfolge (abhängig von dem Lastpunkt an dem die Turbine betrieben wird) in vielen Fällen der Wirkungsgrad der Umwandlung von thermischer oder thermodynamischer Energie in mechanische Energie gesteigert werden kann. Die in diesem Dokument beschriebene Erfindung kann somit einen wertvollen Betrag hin zu einer verbesserten Energieeffizienz leisten.
