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GEBIET DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist eine Dampfturbine einschließlich einer Kupplung zum Ein- und Abkuppeln eines oder mehrerer Hochdruckabschnitte von einem Stromgenerator der Dampfturbine in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Viele moderne Dampfturbinen können in mehreren Betriebsmodi betrieben werden. Zum Beispiel werden viele Turbinen während Hochbetriebszeiten mit hohem Dampfdruck betrieben und können während einer niedrigen Energieerzeugung auf einen niedrigen Dampfdruck umgeschaltet werden. Typische Dampfturbinen weisen einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt auf. Wenn die Turbine bei niedrigem Druck betrieben wird, bleibt jedoch der Hochdruckabschnitt ungenutzt. In vielen Fällen führt dies dazu, dass ein Hochdruckabschnitt so konstruiert wird, dass er auch unter niedrigem Druck stehenden Dampf und somit Dampf mit einer niedrigen Temperatur aufnehmen kann. Diese Gestaltungen können die Leistung des Hochdruckabschnitts ändern, wodurch Änderungen der Leistungsmerkmale nötig sind und außerdem Vorkehrungen zum Entfernen von Feuchtigkeit im Hochdruckabschnitt getroffen werden müssen.
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Ferner können die Temperaturänderungen im Zusammenhang mit dem Hin- und Herschalten zwischen Hochdruck- und Hochtemperaturdampf und Niederdruck- und Niedertemperaturdampf zu Wärmespannungen und wärmebedingten Ausdehnungen an Komponenten der Dampfturbine führen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hierin beschriebene Ausführungsformen der Erfindung können ein Dampfturbinensystem beinhalten, das aufweist: einen Dampferzeuger, der mit einem Hochdruckabschnitt und einem Niederdruckabschnitt verbunden ist; einen ersten Antriebswellenabschnitt, der mit dem Hochdruckabschnitt verbunden ist; eine Kupplungsvorrichtung, um einen Stromgenerator abkuppelbar zu anzuschließen, der mit dem ersten Antriebswellenabschnitt verbunden ist, und einen zweiten Antriebswellenabschnitt zur Verbindung mit dem Stromgenerator, der mit dem Niederdruckabschnitt verbunden ist.
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Das Dampfturbinensystem kann so ausgelegt sein, dass der erste Antriebswellenabschnitt als Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert und dass der erste Antriebswellenabschnitt als Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert.
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Das Dampfturbinensystem jeder der oben genannten Arten kann ferner umfassen: eine Hochdruckdrosselklappe zwischen dem Dampferzeuger und dem Hochdruckabschnitt, ein Hochdruckumgehungsventil zwischen dem Dampferzeuger und dem Niederdruckabschnitt und eine Niederdruckdrosselklappe zwischen dem Hochdruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass der erste Antriebswellenabschnitt als Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert und der erste Antriebswellenabschnitt als Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass die Hochdruckdrosselklappe und die Niederdruckdrosselklappe in Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung geöffnet werden und dass das Hochdruckumgehungsventil geschlossen wird.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass die Hochdruckdrosselklappe und die Niederdruckdrosselklappe in Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung geschlossen werden und das Hochdruckumgehungsventil geöffnet wird.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass die Kupplungsvorrichtung während einer Hochenergiezufuhr-Betriebsbedingung eingekuppelt ist und die Kupplungsvorrichtung während einer Niederenergiezufuhr-Betriebsbedingung ausgekuppelt ist.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass die Hochenergiezufuhr-Betriebsbedingung ein Zeitraum ist, in dem Dampf mindestens eines von folgendem ist: Hochdruckdampf und Hochtemperaturdampf; wobei die Niederenergiezufuhr-Betriebsbedingung ein Zeitraum ist, in dem der Dampf mindestens eines von folgendem ist: Niederdruckdampf und Niedertemperaturdampf.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann ferner ein Concentrated Solar Power System bzw. Sonnenwärmesystem umfassen, das mit dem Dampfturbinensystem verbunden ist.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann so ausgelegt sein, dass die Kupplungsvorrichtung während einer Tageszeit-Betriebsbedingung eingekuppelt und während einer Nachtzeit-Betriebsbedingung ausgekuppelt ist.
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Ausführungsformen der Erfindung können auch ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbinensystems beinhalten, wobei das Verfahren umfasst: Liefern von Dampf aus einem Dampferzeuger zu einem Hochdruckabschnitt und/oder einem Niederdruckabschnitt; Ein- oder Auskuppeln einer Kupplungsvorrichtung, die über einen ersten Antriebswellenabschnitt von dem Hochdruckabschnitt lösbar mit einem Stromgenerator verbunden ist, durch eine Steuereinrichtung; und Liefern von Leistung über einen zweiten Antriebswellenabschnitt, der mit dem Stromgenerator verbunden ist, von dem Niederdruckabschnitt zu dem Stromgenerator.
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Das Verfahren kann umfassen, dass der erste Antriebswellenabschnitt in Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung durch die Steuereinrichtung Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert und dass der erste Antriebswellenabschnitt in Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung durch die Steuereinrichtung keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann ferner beinhalten: das Nutzen einer Hochdruckdrosselklappe zwischen dem Dampferzeuger und dem Hochdruckabschnitt; das Nutzen eines Hochdruckumgehungsventils zwischen dem Dampferzeuger und dem Niederdruckabschnitt; und das Nutzen einer Niederdruckdrosselklappe zwischen dem Hochdruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann ferner beinhalten, dass der erste Antriebswellenabschnitt in Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung durch die Steuereinrichtung Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert und dass der erste Antriebswellenabschnitt in Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung durch die Steuereinrichtung keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt zu dem Stromgenerator liefert.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann umfassen, dass die Hochdruckdrosselklappe und die Niederdruckdrosselklappe in Reaktion auf das Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung von der Steuereinrichtung geöffnet werden und dass das Hochdruckumgehungsventil von der Steuereinrichtung geschlossen wird.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann beinhalten, dass die Hochdruckdrosselklappe und die Niederdruckdrosselklappe in Reaktion auf das Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung von der Steuereinrichtung geschlossen werden und dass das Hochdruckumgehungsventil von der Steuereinrichtung geöffnet wird.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann beinhalten, dass die Kupplungsvorrichtung während einer Hochenergiezufuhr-Betriebsbedingung von der Steuereinrichtung eingekuppelt wird und die Kupplungsvorrichtung während einer Niederenergiezufuhr-Betriebsbedingung von der Steuereinrichtung ausgekuppelt wird.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann beinhalten, dass die Hochenergiezufuhr-Betriebsbedingung mindestens eines von folgendem beinhaltet: Hochdruckdampf und Hochtemperaturdampf; und wobei die Niederenergiezufuhr-Betriebsbedingung mindestens eines von folgendem beinhaltet: Niederdruckdampf und Niedertemperaturdampf.
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Jedes der oben genannten Dampfturbinensysteme kann ferner ein Sonnenwärmesystem umfassen, das mit dem Dampfturbinensystem betriebsmäßig verbunden ist.
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Jedes der oben genannten Verfahren kann beinhalten, dass die Kupplungsvorrichtung während einer Tageszeit-Betriebsbedingung eingekuppelt und während einer Nachtzeit-Betriebsbedingung ausgekuppelt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen, die verschiedene Aspekte der Erfindung darstellen, besser verständlich werden.
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1 zeigt ein Beispiel für ein Dampfturbinensystem in einer herkömmlichen Gestaltung des Standes der Technik.
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2 zeigt ein Beispiel für ein Dampfturbinensystem mit einer eingekuppelten Dampfturbinenkupplung gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung.
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3 zeigt ein Beispiel für ein Dampfturbinensystem mit einer ausgekuppelten Dampfturbinenkupplung gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung.
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4 zeigt ein Beispiel für ein Sonnenwärmesystem einschließlich des Dampfturbinensystems gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung.
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Man beachte, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollen daher nicht als Beschränkung für den Offenbarungsgehalt aufgefasst werden. In den Zeichnungen stellen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente in den Zeichnungen dar. Die ausführliche Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Vorliegend ist ein Dampfturbinensystem beschrieben, das eine Dampfturbinenkupplung aufweist, um während eines Niederenergiezufuhrbetriebs einen Hochdruckabschnitt von einem Stromgenerator abzukoppeln. Wie in 1 dargestellt ist, liefert ein Dampferzeuger 110 des Standes der Technik Dampf zu einem Hochdruckabschnitt 120 des Dampfturbinensystems 100. Der Dampf dehnt sich im Hochdruckabschnitt 120 aus, verlässt den Hochdruckabschnitt 120 und strömt dann zu einem Niederdruckabschnitt 130. Im Niederdruckabschnitt 130 dehnt sich der Dampf erneut aus und tritt zu dem Kondensator 140 hin aus. Während dieses Betriebs liefern ein erster Antriebswellenabschnitt 150 des Hochdruckabschnitts 120 und ein zweiter Antriebswellenabschnitt 155 des Niederdruckabschnitts 130 immer Wellenleistung zu einem Stromgenerator 160.
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Wie ebenfalls in 1 dargestellt ist, liefern sowohl der erste als auch der zweite Antriebswellenabschnitt 150 und 155 ständig Wellenleistung zu dem Stromgenerator 160, und daher sind der Hochdruckabschnitt 120 und der Niederdruckabschnitt 130 beide so ausgelegt, dass sie mit Hochenergiedampf und mit Niederenergiedampf arbeiten können. Jedoch können diese Abschnitte nicht für beide Betriebsbedingungen optimiert sein.
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Wie in 2 dargestellt ist, wird gemäß einer Ausführungsform ein Dampfturbinensystem 200 zur Leistungserzeugung mit einem Dampfturbinenkupplungsmechanismus beschrieben. In einer Ausführungsform weist das Dampfturbinensystem 200 ähnlich wie der Stand der Technik einen Dampferzeuger 210 auf. Der Dampferzeuger 210 ist zwar auch mit einem Hochdruckabschnitt 220 verbunden, jedoch ist der Dampferzeuger 210 darüber hinaus über ein Rohrsystem, das nachstehend ausführlicher beschriebene Ventile enthalten kann, mit einem Niederdruckabschnitt 230 verbunden. Obwohl das Dampfturbinensystem 200 in 2 mit nur zwei Abschnitten dargestellt ist, können Ausführungsformen der Erfindung mit einer beliebigen Vielzahl von verbundenen Abschnitten genutzt werden. Gemäß manchen Ausführungsformen ist ein Kondensator 240 mit dem Niederdruckabschnitt 230 verbunden. Es kann jeder bekannte Kondensator für eine Dampfturbine verwendet werden. Anders als im Stand der Technik ist der Hochdruckabschnitt 220 mit einem ersten Abschnitt einer Antriebswelle 250 verbunden, die auch mit einer Dampfturbinenkupplung oder Kupplungsvorrichtung 270 verbunden ist, die lösbar mit einem Stromgenerator 260 verbunden ist. Die Kupplungsvorrichtung 270 kann jede bekannte Kupplung beinhalten. Jedoch kann die Kupplungsvorrichtung 270 beispielsweise eine Einscheiben- oder Lamellen-Trockenkupplung, eine nass laufende Kupplung oder irgendeine Planetenkupplung beinhalten.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt ist, ist ein Niederdruckabschnitt 230 mit einem zweiten Antriebswellenabschnitt 255 verbunden, der auch mit einem Stromgenerator 260 verbunden ist. Lösbar verbunden bedeutet, dass die Kupplungsvorrichtung 270 in einer Position mit dem Stromgenerator 260 verkuppelt sein kann oder in einer zweiten Position von diesem abgekuppelt sein kann, aber dabei jeweils mit dem Stromgenerator 260 verbunden bleibt, dessen Funktion weiter unten erläutert wird. Obwohl Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, die eine einzelne Antriebswelle mit zwei Abschnitten 250 und 255 beinhalten, mit einer Kupplungsvorrichtung 270, die den ersten Antriebswellenabschnitt 250 und den Stromgenerator 260 lösbar verbindet, somit einem zweiten Antriebswellenabschnitt 255 zwischen der Kupplungsvorrichtung 270 und verbunden mit dem Niederdruckabschnitt 230 und dem Stromgenerator 260, ist dies nur ein Beispiel. Es sei klargestellt, dass statt Antriebswellenabschnitten 250 und 255 zwei getrennte Antriebswellen verwendet werden können, oder mehr, wenn mehr als ein Hochdruckabschnitt 220 und ein Niederdruckabschnitt 230 verwendet werden.
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Wie weiterhin in 2 dargestellt ist, ermöglicht die Kupplungsvorrichtung 270 eine effiziente Nutzung des Dampfturbinensystems 200 für verschiedene Betriebsmodi. Wenn beispielsweise die Kupplung 220 eingekuppelt ist, liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250 Wellenleistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260. Wenn die Kupplung 270 jedoch ausgekuppelt ist, liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250 keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260. Jedoch kann in beiden Fällen der zweite Antriebswellenabschnitt 255 Wellenleistung von dem Niederdruckabschnitt 230 zu dem Stromgenerator 260 liefern.
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Die Kupplungsvorrichtung 270 kann in einer Reihe von Ausführungsformen nützlich sein. Zum Beispiel kann die Kupplungsvorrichtung 270 in einer Zeit hoher Energieabgabe des Dampfturbinensystems 200, die als Hochenergie-Betriebsbedingung bezeichnet wird, eingekuppelt sein. Eine Hochenergie-Betriebsbedingung kann eine Zeit sein, in der ein Dampf unter hohem Druck steht, ein Dampf eine hohe Temperatur aufweist oder eine Kombination davon sein. Hochenergie-Betriebsbedingungen können Temperaturbereiche von etwa 370 ºC bis etwa 600 ºC und einen Druckbereich von etwa 6.895 kPa (1000 psi) bis etwa 20.684 kPa (3000 psi) oder etwa 6.895 kPa (1000 psi) bis etwa 13.790 kPa (2000 psi) beinhalten. Ferner kann die Kupplungsvorrichtung 270 in einer Zeit abgekuppelt sein, in der eine niedrige Energie von dem Dampfturbinensystem 200 ausgegeben wird, die als Niederenergie-Betriebsbedingung bezeichnet wird. Man beachte, dass eine Niederenergie-Betriebsbedingung eine Zeit, in der ein Dampf einen niedrigen Druck aufweist, ein Dampf eine niedrige Temperatur aufweist oder eine Kombination davon ist. Niederenergie-Betriebsbedingungen können Temperaturbereiche von etwa 100 ºC bis etwa 300 ºC und einen Druckbereich von etwa 414 kPa (60 psi) bis etwa 5.516 kPa (800 psi) oder etwa 689 kPa (100 psi) bis etwa 2413 kPa (350 psi) beinhalten.
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Durch Integrieren einer Kupplungsvorrichtung 270 in das Dampfturbinensystem 200 können sowohl der Hochdruckabschnitt 220 als auch der Niederdruckabschnitt 230 für die ordnungsgemäßen Betriebsbedingungen jedes Falles optimiert werden. Da zum Beispiel der Hochdruckabschnitt 220 in manchen Ausführungsformen keinem Niederenergiedampf ausgesetzt werden kann, können verbesserte Leistungsmerkmale in diesen Abschnitt integriert sein und es brauchen keine Feuchtigkeitsentfernungssysteme installiert werden. Dies kann eine Steigerung des Wirkungsgrads der Energieumwandlung des Hochdruckabschnitts 220 ermöglichen. Ferner kann der Niederdruckabschnitt 230 ferner für die Handhabung von Niederenergiedampf optimiert sein. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Offenbarung ist, dass schnelle Temperaturänderungen, die während eines Wechsels zwischen Hochenergie- und Niederenergiebedingungen auftreten können, im Hochdruckabschnitt 220 vermieden werden können, indem man den Niederenergiedampf direkt zu dem Niederdruckabschnitt 230 bewegt, in dem üblicherweise bereits Temperaturen herrschen, die denen des Niederenergiedampfs ähnlich sind.
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Wie ebenfalls in 2 dargestellt ist, kann das Dampfturbinensystem 200 ferner ein System aus Ventilen beinhalten, das den Betrieb der Kupplungsvorrichtung 270 unterstützt. Zum Beispiel kann das Dampfturbinensystem 200 eine Hochdruckdrosselklappe 280, die zwischen dem Dampferzeuger 210 und dem Hochdruckabschnitt 220 angeordnet ist, ein Hochdruckumgehungsventil 285, das zwischen dem Dampferzeuger 210 und dem Niederdruckabschnitt 230 angeordnet ist, und eine Niederdruckdrosselklappe 290 zwischen dem Hochdruckabschnitt 220 und dem Niederdruckabschnitt 230 aufweisen. Wenn es in Verbindung mit der Kupplungsvorrichtung 270 verwendet wird, kann das System aus Ventilen ferner die Umlenkung von Dampf während verschiedener Betriebsbedingungen unterstützen.
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Wie in 2 dargestellt ist, sind die Hochdruckdrosselklappe 280 und die Niederdruckdrosselklappe 290 beispielsweise beide offen, wie von dunkel dargestellten Ventilen dargestellt ist, während die Kupplungsvorrichtung 270 eingekuppelt ist. Das Hochdruckumgehungsventil 285 ist demgemäß geschlossen, wie durch das weiße Ventil dargestellt ist, so dass der Hochdruckabschnitt 220 nicht umgangen wird. In dieser Ausführungsform kann Dampf von dem Dampferzeuger 210 zu dem Hochdruckabschnitt 220 und dann zu dem Niederdruckabschnitt 230 strömen. Wie oben beschrieben, kann dies während einer Hochenergie-Betriebsbedingung nützlich sein. Wie in 3 dargestellt ist, sind die Hochdruckdrosselklappe 280 und die Niederdruckdrosselklappe 290 beide geschlossen, während die Kupplungsvorrichtung 270 ausgekuppelt ist. Das Hochdruckumgehungsventil 285 ist dagegen offen, so dass der Hochdruckabschnitt 220 umgangen wird. In dieser Ausführungsform kann Dampf aus dem Dampferzeuger 210 den Hochdruckabschnitt 230 umgehen und direkt zu dem Niederdruckabschnitt 230 strömen. Wie oben beschrieben, kann dies während einer Niederenergie-Betriebsbedingung nützlich sein, um eine Belastung oder Beschädigung des Hochdruckabschnitts 220 zu verringern.
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In Ausführungsformen, die ein System von Ventilen verwenden, liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250 Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260, wenn die Kupplung 270 eingekuppelt ist, wie oben beschrieben. Wenn die Kupplung 270 ausgekuppelt ist, liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250 stattdessen keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260. Jedoch kann in beiden Fällen der zweite Antriebswellenabschnitt 255 Wellenleistung von dem Niederdruckabschnitt 230 zu dem Stromgenerator 260 liefern. Obwohl ein System mit drei Ventilen beschrieben wird, sei klargestellt, dass mehr Ventile vorhanden sein können, insbesondere in Ausführungsformen, die mehr als die beiden offenbarten Abschnitte, das heißt den Hochdruckabschnitt 220 und den Niederdruckabschnitt 230, beinhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zu dem Betreiben des Dampfturbinensystems 200 offenbart. Zum Beispiel kann das Dampfturbinensystem 200, wie in 2 und 3 dargestellt, eine Steuereinrichtung 295 aufweisen, die mit dem Dampfturbinensystem 200 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 295 kann direkt mit dem Dampferzeuger 210 verbunden sein, wie dargestellt. Es sei jedoch klargestellt, dass die Steuereinrichtung 295 mit jedem Abschnitt des Dampfturbinensystems 200 verbunden sein kann, unter anderem kann sie direkt mit einer Systemlogik verkabelt sein, die nicht dargestellt ist. In jedem Fall kann das Verfahren unter Verwendung einer Steuereinrichtung 295 implementiert sein. Die Steuereinrichtung 295 kann automatisiert sein, wodurch sie in der Lage ist, eine Betriebsbedingung eines Dampfturbinensystems 200 zu erfassen und dementsprechend anzupassen. Die Steuereinrichtung 295 kann auch programmierbar sein, so dass sie programmiert wird, das Dampfturbinensystem 200 unter bestimmten Bedingungen auf Basis zahlreicher Faktoren zu betreiben, beispielsweise der Tageszeit, der Jahreszeit, des Monats, des Jahres, der Durchschnittstemperaturen oder anderer Variablen, die sich auf die Betriebsbedingungen des Dampfturbinensystems 200 auswirken können.
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In jedem Fall kann das Verfahren das Abgeben von Dampf aus dem Dampferzeuger 210 beinhalten. Es kann jede bekannte Art von Dampfturbinensystem 200 mit einem Dampferzeuger 210 verwendet werden. Der Dampf wird dann zu dem Hochdruckabschnitt 220 und/oder zu dem Niederdruckabschnitt 230 geschickt. Der Dampf kann über jeden bekannten Mechanismus zu den Abschnitten 220 und 230 geschickt werden, unter anderem durch Rohre, die typischerweise im Dampfturbinensystem 200 eingesetzt sind. Der Dampf dehnt sich nur durch den Niederdruckabschnitt 230 oder auch durch den Hochdruckabschnitt 220 aus. Das Verfahren kann auch das Ein- oder Auskuppeln der Kupplungsvorrichtung 270, die über einen ersten Antriebswellenabschnitt 250 von dem Hochdruckabschnitt 220 lösbar mit dem Stromgenerator 260 verbunden ist, durch die Steuereinrichtung 295 beinhalten. Leistung wird über den zweiten Antriebswellenabschnitt 255, der mit dem Stromgenerator 260 verbunden ist, von dem Niederdruckabschnitt 230 zu dem Stromgenerator 260 geliefert. Das Verfahren kann auch das Ablassen des Dampfes zu dem Kondensator 240, der mit dem Niederdruckabschnitt 230 verbunden sein kann, beinhalten.
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In dem offenbarten Verfahren kann das Verfahren, wie in 2 dargestellt ist, das Liefern von Wellenleistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260 über einen ersten Antriebswellenabschnitt 250 beinhalten, wenn die Kupplungsvorrichtung 270 eingekuppelt ist, da der Dampf sowohl durch den Hochdruckabschnitt 220 als auch den Niederdruckabschnitt 230 strömen kann. Wenn die Kupplung 270 ausgekuppelt ist, wie in 3 dargestellt ist, liefert ferner der erste Antriebswellenabschnitt 250 keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260.
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Das Verfahren kann ferner das Nutzen einer Hochdruckdrosselklappe 280 zwischen dem Dampferzeuger 210 und dem Hochdruckabschnitt 220, das Nutzen eines Hochdruckumgehungsventils 285 zwischen dem Dampferzeuger 210 und dem Niederdruckabschnitt 230 und das Nutzen einer Niederdruckdrosselklappe 290 zwischen dem Hochdruckabschnitt 220 und dem Niederdruckabschnitt 230 beinhalten. In einer solchen Ausführungsform liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250, wenn die Kupplungsvorrichtung 270 von der Steuereinrichtung 295 eingekuppelt wird, Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260, und wenn die Kupplungsvorrichtung 270 von der Steuereinrichtung 295 ausgekuppelt wird, liefert der erste Antriebswellenabschnitt 250 keine Leistung von dem Hochdruckabschnitt 220 zu dem Stromgenerator 260. Jedoch liefert der zweite Antriebswellenabschnitt 255 Leistung von dem Hochdruckabschnitt 230 zu dem Stromgenerator 260 unabhängig davon, ob die Kupplung 270 ein- oder ausgekuppelt ist.
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Weiterhin mit Bezug auf diese Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens werden, wenn die Kupplungsvorrichtung 270 von der Steuereinrichtung 295 geöffnet wird, wie in 2 dargestellt ist, die Hochdruckdrosselklappe 280 und die Niederdruckdrosselklappe 290 von der Steuereinrichtung 295 geöffnet, wodurch Dampf hindurchströmen kann, und das Hochdruckumgehungsventil 285 wird von der Steuereinrichtung 295 geschlossen. Wenn jedoch die Kupplungsvorrichtung 270 von der Steuereinrichtung 295 ausgekuppelt wird, wie in 3 dargestellt ist, dann werden die Hochdruckdrosselklappe 280 und die Niederdruckdrosselklappe 290 von der Steuereinrichtung 295 geschlossen, um zu verhindern, dass Dampf durch den Hochdruckabschnitt 220 strömt, und das Hochdruckumgehungsventil 285 wird von der Steuereinrichtung 295 geöffnet, damit Dampf nur durch den Niederdruckabschnitt 230 strömen kann.
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Wie oben ausführlicher beschrieben worden ist, kann in Ausführungsformen des Verfahrens die Kupplungsvorrichtung 270 während einer Hochenergiezufuhr-Betriebsbedingung eingekuppelt werden, während die Kupplungsvorrichtung 270 während einer Niederenergiezufuhr-Betriebsbedingung ausgekuppelt werden kann.
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Ausführungsformen dieses Verfahrens können für viele Dampfturbinensysteme von Vorteil sein. Als ein Beispiel kann dieses Verfahren für Sonnenwärmesysteme von Vorteil sein, wo die Kupplungsvorrichtung 270 während einer Tageszeit-Betriebsbedingung eingekuppelt werden kann oder die Kupplungsvorrichtung 270 während einer Nachtzeit-Betriebsbedingung ausgekuppelt werden kann.
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In einer Ausführungsform wird das Dampfturbinensystem 200 beispielsweise in einem Sonnenwärme (Concentrated solar power, CSP)-System 300 verwendet, wie in 4 dargestellt ist. Das CSP-System 300 kann jede Art von Sonnenwärmesystem (CSPS) verwenden, wie eine CSP-Dampfturbine (CSPST) oder einen CSP-Verdampfer (CSPE) 300, die bzw. der mehrere Solarrezeptoren 310 bekannter Gestaltung aufweisen kann. Die Solarrezeptoren 310 können beispielsweise reflektierende und/oder absorbierende Solarflächen wie Spiegel, Prismen, photovoltaische Platten oder halbtransparente Oberflächen aufweisen, um Solarenergie von einer Sonnenenergiequelle, beispielsweise der Sonne, zu absorbieren oder umzulenken, um Dampf zum Antreiben eines Dampfturbinensystems 200 zu erzeugen, das als Bestandteil des CSP-Systems 300 dargestellt ist. Falls das CSP-System 300 eine CSPST beinhaltet, sei klargestellt, dass die CSPST die Form jeder herkömmlichen Sonnenwärme-Dampfturbine aufweisen kann, insofern als sie eine oder mehrere Parabolrinnen, fokussierte Dampfkessel oder andere Komponenten aufweisen kann, die in solchen CSPST-Systemen zu finden sind. Die Darstellung des CSP-Systems 300 ist hierin nur erläuternd für eine Form einer Sonnenwärme-Dampfturbine, die in der Lage ist, mit den Steuersystemen und/oder Computersystemen zu interagieren, die gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.
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Wie ebenfalls in 4 dargestellt ist, kann ein CSP-System 300, das ein Beispiel für ein typisches CSP-System ist, das aber auch alle andere CSP-Systeme beinhalten kann, die heute bekannt oder in Zukunft entwickelt werden, Hochenergie-Betriebsbedingungen und Niederenergie-Betriebsbedingung erfahren. Zum Beispiel besteht eine Tageszeit-Betriebsbedingung wegen des herrschenden Sonnenlichts typischerweise aus einer höherenergetischen Betriebsbedingung. Solche Hochenergie-Betriebsbedingungen können beispielsweise etwa 900 ºC und etwa 6.205 kPa (1500 psi) beinhalten. Während dieser Zeit ist die Kupplungsvorrichtung 270 eingekuppelt (2), wodurch ein höherenergetischer Dampf durch sowohl den Hochdruckabschnitt 220 als auch den Niederdruckabschnitt 230 verarbeitet werden kann. Jedoch kann eine Nachtzeit-Betriebsbedingung wegen des Fehlens von Sonnenlicht häufig in einer energetisch niedrigeren Betriebsbedingung resultieren, an welchem Punkt die Kupplungsvorrichtung 270 ausgekuppelt werden kann (3), um den energetisch niedrigeren Dampf unter Umgehung des Hochdruckabschnitts 220 effizienter direkt durch den Niederdruckabschnitt 230 verarbeiten zu können. Nachtzeit-Betriebsbedingungen können etwa 400 °C und etwa 1724 kPa (250 psi) beinhalten.
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Man beachte, dass nicht alle Tageszeit-Betriebsbedingung Hochenergie-Betriebsbedingungen sein müssen. Zum Beispiel kann an wolkigen oder trüben Tagen ein Betrieb bei niederenergetischen Nachtzeit-Betriebsbedingungen optimal sein. Es sei klargestellt, dass die Erfindung, wie sie beschrieben ist, einen einzigen Hochdruckabschnitt 220, einen einzigen Niederdruckabschnitt 230, einen einzigen Kondensator 240, eine einzige Kupplungsvorrichtung 270 und drei Ventile verwendet, aber dass auch eine größere Anzahl von jedem dieser Elemente im Dampfturbinensystem 200 verwendet werden kann. Zum Beispiel können mehrere Niederdruckabschnitte 230 oder mehrere Hochdruckabschnitte 220 verwendet werden, von denen jeder für sich lösbar verbunden sein kann. Ferner kann jedes heute bekannte oder in der Zukunft entwickelte Dampfturbinensystem 300 mit mehreren Abschnitten von Merkmalen der Erfindung profitieren, insbesondere im Falle von mehreren Betriebsbedingungen, sei es auf Basis von Energie, Druck, Temperatur oder einer Kombination davon. Jeder Abschnitt kann so optimiert sein, dass er für einen Betrieb unter bestimmten Bedingungen auf Basis der Turbinengestaltung und Dampfausgabe optimiert ist.
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Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte klar geworden sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr modifiziert werden, so dass sie jede Anzahl von Variationen, Abänderungen, Ersetzungen oder Äquivalente aufweist, die hier nicht beschrieben worden sind, die aber mit dem Gedanken und dem Bereich der Erfindung in Einklang stehen. Außerdem wurden zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber es sei klargestellt, dass Aspekte der Erfindung auch nur einige von den beschriebenen Ausführungsformen beinhalten können. Somit darf die Erfindung nicht auf die obige Beschreibung beschränkt verstanden werden, da sie nur durch den Bereich der beigefügten Ansprüche beschränkt wird.
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Ein Dampfturbinensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbinensystems, das einen Dampferzeuger aufweist, der mit einem Hochdruckabschnitt und einem Niederdruckabschnitt verbunden ist. Das Dampfturbinensystem kann ferner einen ersten Abschnitt einer Antriebswelle, die mit dem Hochdruckabschnitt verbunden ist, und eine Kupplungsvorrichtung zum lösbaren Verbinden mit einem Stromgenerator, der mit dem ersten Antriebswellenabschnitt verbunden ist, aufweisen. Das Dampfturbinensystem kann auch einen zweiten Antriebswellenabschnitt zur Verbindung mit dem Stromgenerator aufweisen, der mit dem Niederdruckabschnitt verbunden ist. Das Verfahren kann unter Verwendung einer Steuereinrichtung des Dampfturbinensystems implementiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Dampferzeuger
- 120
- Hochdruckabschnitt
- 100
- Dampfturbinensystem
- 130
- Niederdruckabschnitt
- 140
- Kondensator
- 150
- Antriebswelle
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- Antriebswelle
- 160
- Stromgenerator
- 200
- Dampfturbinensystem
- 210
- Dampferzeuger
- 220
- Hochdruckabschnitt
- 230
- Niederdruckabschnitt
- 240
- Kondensator
- 250
- Antriebswelle
- 270
- Kupplungsvorrichtung
- 260
- Stromgenerator
- 255
- Antriebswelle
- 280
- Hochdruckdrosselklappe
- 285
- Hochdruckumgehungsventil
- 290
- Niederdruckdrosselklappe
- 295
- Steuereinrichtung
- 300
- Sonnenwärme (CSP)-System
- 310
- Solarrezeptoren
