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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkürzung des Anfahrvorgangs einer Dampfturbine, die ein Turbinengehäuse und innerhalb des Turbinengehäuses vorgesehene Turbinenkomponenten, welche im Betrieb mit einem das Turbinengehäuse durchströmenden Arbeitsmedium in Berührung kommen und eine Turbinenwelle umfassen, die das Turbinengehäuse axial durchsetzt, aufweist, bei welchem der Dampfturbine während eines Stillstands der Turbine Wärmeenergie zugeführt wird. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Gas- und Dampfturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens.
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In Dampfkraftanlagen wird die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt. Der hierfür notwendige Wasserdampf wird in konventionellen Kraftwerken in einem Dampfkessel aus gereinigtem und aufbereitetem Wasser unter Nutzung fossiler Brennstoffe erzeugt. Der so bereitgestellte Wasserdampf wird anschließend durch einen Überhitzer geführt, um die Temperatur des Wasserdampfes und dessen spezifisches Volumen zu erhöhen. In der Dampfturbine wird der überhitzte Wasserdampf entspannt. Hierbei wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die zum Antreiben eines Verbrauchers und insbesondere eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird. Der entspannte und abgekühlte Dampf strömt anschließend in einen Kondensator, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert und sich als flüssiges Wasser an der tiefsten Stelle des Kondensators sammelt. Das kondensierte Wasser wird über entsprechende Pumpen und Vorwärmeinrichtungen einem Speisewasserbehälter zugeführt und von dort über eine Speisepumpe erneut zum Dampfkessel geführt.
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Ferner kommen Dampfturbinen auch in Solarkraftwerken zum Einsatz. Diese weisen solare Erzeugereinheiten beispielsweise in der Form von Parabolspiegeln auf, die in ihrer Brennlinie eine Rohrleitung für ein Wärmeträgeröl aufweisen. In dieser Brennlinie wird bei Sonneneinstrahlung das Wärmeträgeröl erwärmt und anschließend über einen Wärmetauscher mit Wasser bzw. Dampf in Verbindung gebracht. Durch Wärmeübertragung wird Heißdampf erzeugt, welcher in einem Dampfkreislauf die Dampfturbinen des Solarkraftwerks antreibt.
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Insbesondere aufgrund der Zunahme des Anteils erneuerbarer Energiequellen bei der Stromerzeugung ist die Auslastung von Kraftwerken zum Teil wechselhaft. Die Anforderungen, von einem Volllast-Betrieb in einen Niedriglast-Betrieb bis hin zum Standby-Betrieb umschalten zu können, wird zunehmend wichtig. In umgekehrter Weise soll es möglich sein, aus einem Niedriglast- oder Standby-Betrieb möglichst schnell wieder einen Volllast-Betrieb wechseln zu können, um Spitzenlasten abdecken zu können. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, die Anfahrzeit der zur Deckung der Spitzenlast bereit zu haltenden Dampfturbine, d.h. die Zeit, die erforderlich ist, um die Dampfturbine aus einem Standby-Betrieb oder Stillstand in den Volllastbetrieb zu bringen, möglichst kurz zu halten. Insbesondere ein Kaltstart einer Dampfturbine führt jedoch zu nicht unerheblichen Anfahrtszeiten. Diese ergeben sich aus der Notwendigkeit, dass das Turbinengehäuse und die darin untergebrachten Turbinenkomponenten wie beispielsweise der Rotor mit der Turbinenwelle und den daran gehaltenen Laufrädern möglichst gleichmäßig erwärmt werden müssen, um unerwünschte Wärmedehnungen und daraus resultierende Wärmespannungen zu vermeiden. Um die Anfahrtszeiten gering zu halten, wird beispielsweise in der
EP 0 537 307 A1 vorgeschlagen, das Turbinengehäuse von außen im Standby-Betrieb bzw. während eines Stillstands zu beheizen, um bei Bedarf die Turbine in kurzer Zeit wieder voll betriebsfähig zu machen.
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Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem sich der Anfahrvorgang einer Turbine und hier insbesondere einer Dampfturbine verkürzen lässt. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Turbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dem Innenraum des Turbinengehäuses während des Stillstands der Dampfturbine heißes Inertgas zugeführt wird, um die in dem Innenraum des Turbinengehäuses vorgesehenen Turbinenkomponenten zu erwärmen und/oder warmzuhalten. Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, die innerhalb des Turbinengehäuses vorgesehenen Turbinenkomponenten und hier insbesondere die Turbinenwelle während eines Stillstands der Turbine zu beheizen, indem heißes Inertgas in das Turbinengehäuse geleitet wird. Beim Einleiten des heißen Inertgases kann die Turbinenwelle langsam, d.h. mit etwa 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute, gedreht werden, um das zugeführte Inertgas gleichmäßig im Inneren des Turbinengehäuses zu verteilen.
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Der Einsatz von Inertgas bietet hierbei den Vorteil, dass es nicht wie der Wasserdampf, welcher nach dem Abfahren der Dampfturbine noch im Turbinengehäuse verblieben ist, kondensiert. Insofern wirkt der Einsatz von Inertgas auch einer Stillstandskorrosion entgegen.
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In diesem Zusammenhang kann es von Vorteil sein, den Innenraum des Turbinengehäuses vor dem Einleiten und/während des Einleitens von Inertgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig von noch vorhandenem Dampf zu befreien. Hierzu kann nach dem Abfahren der Dampfturbine in den Innenraum des Turbinengehäuses zunächst Trockenluft eingeleitet werden, welche den noch verbliebenen heißen Dampf aus dem Turbinengehäuse treibt, bevor das Turbinengehäuse mit Inertgas geflutet wird.
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In bevorzugter Weise wird ein Inertgas verwendet, welches eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Wasser besitzt. Geeignete Inertgase sind beispielsweise Argon mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,01772 W/mK oder Xenon mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,00569 W/mK. Die Verwendung solcher Inertgase mit einer geringen Leitfähigkeit bringen den Vorteil mit sich, dass das Inertgas die Wärmeübertragung im Vergleich zum Wasserdampf deutlich verringert, so dass die im Inneren des Turbinengehäuses befindlichen Turbinenkomponenten durch das eingesetzte Inertgas quasi isoliert werden und langsamer abkühlen. Ebenso kann einmal in das Turbinengehäuse eingebrachtes Inertgas in dem Turbinengehäuse verbleiben, wenn dieses mit heißem Inertgas vollständig geflutet ist. Es ist lediglich notwendig, das im Bereich der Wellendichtungen aus dem Turbinengehäuse entweichende Inertgas zu ersetzen. Entsprechend kann das Inertgas in dem Turbinengehäuse gehalten werden, indem die entsprechenden Zuströmöffnung und die Abströmöffnung für den Frischdampf verschlossen werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Turbinengehäuse kontinuierlich mit Inertgas zu durchströmen.
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Alternativ ist es auch möglich, Stickstoff einzusetzen, das einen Wärmeleitkoeffizienten von 0,025 W/mK und damit einen vergleichbaren Wärmeleitkoeffizient wie Wasserdampf besitzt, welcher 0,0248 Watt/mK beträgt. Hierdurch entfällt lediglich der Vorteil einer besseren thermischen Isolierung durch den Einsatz von Stickstoff gegenüber Wasserdampf.
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In bevorzugter Weise wird das Inertgas dem Innenraum des Turbinengehäuses mit einer Temperatur von wenigstens 200°C, insbesondere wenigstens 250°C und bevorzugt wenigstens 300°C zugeführt, so dass die Turbinenkomponenten und hier insbesondere die Turbinenwelle auf einer entsprechenden Temperatur gehalten werden. Mit anderen Worten werden die Turbinenkomponenten auf einem Temperaturniveau gehalten, das einen Start der Turbine unter Warmstartbedingungen ermöglicht. Hierdurch können auch nach langen Stillstandszeiten übermäßige Wärmespannungen in der Turbinenwelle bei der Beaufschlagung der Dampfturbine mit Frischdampf vermieden werden.
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Zweckmäßigerweise kann das Turbinengehäuse an seiner Außenseite während des Stillstands mit einer thermischen Isolierung versehen und/oder von außen beheizt werden. Zusammen mit der inneren Isolierung durch das eingeleitete Inertgas können die im Turbinengehäuse vorgesehenen Turbinenkomponenten mit geringem Aufwand warmgehalten werden.
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In Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Innentemperatur der Dampfturbine und/oder eine Temperatur an der Oberfläche einer innerhalb des Turbinengehäuses vorgesehenen Turbinenkomponente erfasst wird und eine Beheizung durch Zuführung von Inertgas während des Stillstands der Dampfturbine in Gang gesetzt wird, wenn die erfasste Temperatur unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt. Bei dieser Ausgestaltung sind somit Temperatursensoren oder -fühler vorgesehen, über welche die Innentemperatur der Turbine bzw. die Temperatur einer vorgegebenen Turbinenkomponente erfasst wird. Diese Temperatursensoren können beispielsweise in das Turbinengehäuse durch ohnehin vorhandene Zugänge zur Dampfturbine in Form von Entwässerungsanschlüssen, Mannlöchern oder dergleichen eingebracht werden. Demgemäß findet eine Beheizung durch Zufuhr von Inertgas bei dieser Ausführungsform nur statt, wenn die Temperatur im Turbinengehäuse bzw. die Temperatur einer vorgegebenen Turbinenkomponente so niedrig liegt, dass ein schneller Anfahrvorgang nicht mehr möglich ist, d.h. während des Anfahrvorgangs noch eine Erwärmung der in dem Turbinengehäuse liegenden Komponenten erforderlich wäre. In gleicher Weise kann die Beheizung auch unterbunden werden, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet. Mit anderen Worten erfolgt die Zufuhr von Inertgas gezielt in der Weise, dass die Temperatur im Innenraum des Turbinengehäuses bzw. die Temperatur der Turbinenkomponente in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten wird.
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Alternativ/zusätzlich ist es möglich, in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur auch die Beheizung des zugeführten Inertgases zu steuern und damit die Temperatur des Inertgases einzustellen. Wenn die gemessene Temperatur zu niedrig liegt, wird entsprechend die Temperatur des heißen Inertgases, welches dem Innenraum des Turbinengehäuses zugeführt wird, erhöht. Wenn indes die erfassten Temperaturen zu hoch liegen, kann die Temperatur des Inertgases wieder gesenkt werden. Letzten Endes kann durch Steuerung der zugeführten Inertgasmenge sowie durch Steuerung der Inertgastemperatur die Temperatur im Innenraum des Turbinengehäuses wunschgemäß eingestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Querschnittsansicht einer Dampfturbinenstufe einer Dampfturbine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Diese Dampfturbine 1, die in der Zeichnung vereinfacht mit nur einer Turbinenstufe dargestellt ist, umfasst ein Turbinengehäuse 2 mit einem Außengehäuse 2a und einem Innengehäuse 2b. Das Turbinengehäuse 2 wird axial von einer Turbinenwelle 3 durchsetzt, welche entlang ihres Umfangs Laufschaufeln 4 trägt, die radial von der Turbinenwelle 3 in einen zwischen der Turbinenwelle 3 und dem Innengehäuse 2b gebildeten Strömungskanal ragen. In gleicher Weise sind an dem Innengehäuse 2b Leitschaufeln 5 vorgesehen, welche radial in den Strömungskanal ragen.
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Innerhalb des Innengehäuses 2b sind Temperatursensoren 6 vorgesehen, die datentechnisch mit einer Steuerungseinrichtung 7 verbunden sind. Die Temperatursensoren 6 dienen dazu, die Temperatur in dem Strömungskanal zu erfassen. Ebenso können entsprechende Temperatursensoren 6 unmittelbar die Turbinenwelle 3 kontaktieren, um deren Oberflächentemperatur zu ermitteln.
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In der Zeichnung ist ferner gut erkennbar, dass an das Turbinengehäuse 2 einströmseitig eine Inertgasleitung 8 angeschlossen ist. Diese dient dazu, dem Innenraum des Turbinengehäuses 2 während eines Stillstands der Dampfturbine heißes Inertgas zuzuführen und so die im Inneren des Turbinengehäuses 2 vorgesehenen Komponenten, d.h. im Wesentlichen die Turbinenwelle, die daran fixierten Laufschaufeln 4 und die Leitschaufeln 5, zu beheizen bzw. warmzuhalten.
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Beim Anfahren und Aufwärmen der Dampfturbine könnte es in dem Turbinengehäuse 2 selbst und in den innerhalb des Turbinengehäuses 2 vorgesehenen Turbinenkomponenten 3, 4, 5 zu Wärmedehnungen und damit verbunden zu Wärmespannungen kommen. Diese treten insbesondere in der Turbinenwelle 3 auf, da diese die größte Masse besitzt. Um derartige Wärmespannungen zu vermeiden, wird während eines Stillstands der Dampfturbine 1 dem Inneren des Turbinengehäuses 2 vor der Einströmseite der Dampfturbine 1 her heißes Inertgas zugeführt, so dass die Turbinenwelle 3 sowie die weiterhin in dem Turbinengehäuse 2 vorgesehen Turbinenkomponenten auf einer Temperatur gehalten werden, welche gewährleistet, dass zu starke Wärmespannungen vermieden werden, wenn die Dampfturbine 1 wieder in Betrieb genommen und mit Frischdampf beaufschlagt wird. Dabei wird die Turbinenwelle 3 langsam gedreht, so dass sich das Inertgas gleichmäßig im Innenraum des Turbinengehäuses 2 verteilen kann.
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Es kann zweckmäßig sein, den Innenraum des Turbinengehäuses 2 vor dem Einleiten des Inertgases von dem dort noch vorhandenen Wasserdampf zu befreien. Hierzu kann nach dem Abfahren der Dampfturbine 1 in den Innenraum des Turbinengehäuses 2 (heiße) Trockenluft eingeleitet werden, welche den noch verbliebenen Wasserdampf aus dem Turbinengehäuse 2 treibt, bevor das Turbinengehäuse 2 mit Inertgas geflutet wird. Alternativ kann das Inertgas auch direkt nach dem Abfahren der Dampfturbine 1 in das Turbinengehäuse 2 eingeleitet werden. In diesem Fall wird der dort noch vorhandene Wasserdampf durch das Inertgas aus dem Turbinengehäuse 2 verdrängt. Als Inertgas werden vorzugsweise Argon oder Xenon verwendet, die beide eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Wasserdampf besitzen. Das Inertgas wird dabei vor dem Einleiten in das Turbinengehäuse 2 auf eine geeignete Temperatur erhitzt, die in etwa der Temperatur entspricht, auf welcher die Turbinenkomponenten 3, 4, 5 im Inneren des Turbinengehäuses 2 gehalten werden sollen. Wenn das Turbinengehäuse 2 einmal mit Inertgas geflutet ist, kann das Turbinengehäuse 2 im Bereich seiner Einströmöffnung und seiner Ausströmöffnung für den Frischdampf verschlossen werden. Es ist dann lediglich notwendig, diejenige Menge an Inertgas, welche im Bereich der Wellendichtungen aus dem Turbinengehäuse 2 entweicht, zu ersetzen. Die Temperatur und/oder die Menge des zugeführten Inertgases wird dabei bevorzugt so eingestellt, dass die Temperatur im Innenraum des Turbinengehäuses 2 stets in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten wird, welche über die Temperatursensoren 6 erfasst wird. Entsprechend sind nicht dargestellte Ventile, über welche die Menge des zugeführten Inertgases regelbar ist, und die Heizeinrichtung, über welche Inertgas auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, so dass sie in Abhängigkeit von der durch die Temperatursensoren 6 erfassten Temperatur betätigt werden können.
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Es ist auch möglich, die Zuführung von Inertgas nur vorzunehmen, wenn die Temperatur, welche von den Temperatursensoren 6 erfasst wird, unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und die Zufuhr von Inertgas wieder zu unterbrechen, wenn die ermittelte Temperatur oberhalb eines oberen Grenzwertes liegt.
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Die Zuführung von Inertgas erfolgt automatisch, wenn die Temperatur, welche von den Temperatursensoren 6 erfasst wird, unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, und sie wird wieder unterbrochen, wenn die ermittelte Temperatur oberhalb eines oberen Grenzwertes liegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Temperatur der Turbinenwelle 3 immer in einem gewünschten Temperaturbereich liegt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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