DE10227709B4

DE10227709B4 - Dampfturbinenanlage sowie Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE10227709B4
Application number: DE2002127709
Authority: DE
Inventors: Kurt 69469 Schnaithmann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2022-06-22
Also published as: DE10227709A1

Abstract

Dampfturbinenanlage mit einem zwischen Hochdruckturbine (2) und Mitteldruck- (3) oder Niederdruckturbine (4) angeordneten Zwischenüberhitzer (7), wobei zwischen Hochdruckturbinenaustritt und Zwischenüberhitzereintritt ein Rückschlagventil (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Überströmleitung (33) vorgesehen ist, welche, den Zwischenüberhitzer (7) überbrückend, die Hochdruck-Abdampfleitung (15) der Hochdruckturbine (2) mit der Mitteldruckturbine (3) verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage mit Zwischenüberhitzer sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zusammen mit einem Umleitystem, insbesondere zu deren Hochfahren aus dem kalten Zustand sowie für Lastabschaltungen.
Dampfturbinenanlagen mit Zwischenüberhitzer sind Dampfturbinen, bei welchen der aus Turbinen bestimmter Druckstufen austretende Dampf vor dem Einleiten in eine Turbine mit niedrigerem Eintrittsdruck in einem Zwischenüberhitzer nochmals erwärmt wird, und nach Passieren der Einheiten mit niederem Druck einem Kondensator zugeführt wird.
Zum Anfahren des Blockes hat es sich, abhängig von der Betriebsweise, aus verschiedenen Gründen als vorteilhaft erwiesen, mittels eines Dampfumleitsystems zunächst den Kessel auf eine Mindestleistung zu belasten, und dann mit dem Anfahren der Turbine zu beginnen. So wird bei einem kaskadierenden Umleit- oder Bypasssystem (”cascading bypass” oder ”wet reheater bypass”) der Frischdampf mittels eines Hochdruck-Umleitventils (HD-Umleitventil) mit nachgeschalteter Wassereinspritzung zur „kalten” Zwischenüberhitzerschiene geleitet und nach Überhitzung im Zwischenüberhitzer von der „heissen„ Zwischenüberhitzerschiene über ein ND-Umleitventil in den Kondensator geführt. Dieses Umleitsystem kommt auch zum Eingriff, falls nach einem Lastabwurf (z. B. bei Öffnen des Netzschalters) oder bei Turbinenschnellschluss die Turbine den erzeugten Dampf nicht vollständig oder überhaupt nicht übernehmen kann. Für den Fall des Umleitbetriebes ergibt sich ein Zwischenüberhitzerdruck, der zur Kessellast proportional ist und dessen Höhe von der Grösse des Umleitventils abhängt. Beim Anfahren der Turbine und nach Lastabschaltungen ist dieser Druck höher als der der Turbinenleistung entsprechende „natürliche” Gleitdruck.
Dadurch ergeben sich thermische Probleme für die Dampfturbine beim Anfahren, im Schwachlastbetrieb und nach Lastabschaltungen.
Beim Anstossen der kalten Turbine stellt sich nämlich entsprechend dem je nach Kessellast im Zwischenüberhitzer aufgestauten Druck (Mindest-Zwischenüberhitzerdruck) ein Temperatursprung in der Hochdruckturbine ein. Dieser Temperatursprung führt dazu, dass Erwärmungsgradienten sowie Temperaturspitzenwerte auftreten, die bei den dort angeordneten Bauteilen zu Problemen führen können.. Dies kann dazu führen, dass Bauteile defekt werden, oder dass sich auf jeden Fall die mittlere Lebensdauer dieser Bauteile stark reduziert.
Nach Lastabschaltungen und im Schwachlastbetrieb bewirkt ein hoher Zwischenüberhitzerdruck durch Ventilation in der Hochdruckturbine extrem hohe HD-Abdampftemperaturen, die ohne entsprechende Gegenmassnahmen ebenfalls zu Schäden an der Hochdruckturbine führen können.
In der Vergangenheit gab es verschiedene Konzepte um dem Problem der Ventilation der Hochdruckturbine (HD-Turbine) zu begegnen:

• Anfahren mit der Mitteldruckturbine (MD-Turbine) mit evakuierter HD-Turbine. Damit wird ein negativer Einfluss des Mindest-Zwischenüberhitzer-Druckes auf die HD-Abdampftemperatur verhindert. Beim Kaltstart erfordert dies jedoch eine vorherige Anwärmung der HD-Turbine. Hier sei beispielhaft auf das Verfahren zum Anfahren einer Dampfturbinenanlage gemäss US 4744723 hingewiesen. Die Turbine ist mit einem aus HD-Bypasssystem und ND-Bypasssystem bestehenden Turbinen-Bypasssystem ausgestattet, umfassend ein Regelventil für den HD-Bypass, ein Regelventil für den ND-Bypass, ein Einlassventil für die HD-Turbine, ein Abfangventil für die MD/ND-Turbine. Während des Anfahrvorgangs wird der Arbeitsdampf zunächst unter Umgehung der HD-Turbine über das HD-Bypass-System und den Zwischenüberhitzer und unter Umgehung der MD- und ND-Turbine über das ND-Bypass-System solange in den Kondensator eingeleitet, bis die erforderlichen Dampfzustände erreicht sind. Daraufhin werden durch allmähliches Öffnen des Einlassventils der MD-Turbine und parallel dazu sukzessives Drosseln des Regelventiels des ND-Bypasses die MD-Turbine und die ND-Turbine mit dem Arbeitsmedium Dampf beaufschlagt.
• Anfahren mit der (HD)-Turbine in Verbindung mit einer HD-MD-Vertrimmung der Frischdampf- und Abfangventile und Beschränkung der Kesselmindestlast mit entsprechend grosser Auslegung des Niederdruckbypass (ND-Bypass), um den Mindest-Zwischenüberhitzer-Druck zu begrenzen. Um dabei den HD-Abdampftemperaturanstieg im Schwachlastfall zu begrenzen wird abhängig von der HD-Abdampftemperatur die Durchströmung der Hochdruck-Turbine erhöht bei gleichzeitiger Reduzierung des Durchsatzes durch die MD-Turbine. Dabei ist auch dafür Sorge zu tragen, dass ein Ventilieren der MD/ND-Turbine verhindert wird. Ein solches gattungsgemässes Verfahren ist beispielsweise ausführlich in der DE 2540446 vorgestellt. Dabei wird bis zu einer vorbestimmten Teillast der Druck im Zwischenüberhitzer mit Hilfe des ND-Bypssventils als Stellglied derart reguliert, dass durch die HD-Turbine eine grössere Dampfmenge als durch die MD-Turbine strömt, und durch das HD-Bypass-System eine geringere Dampfmenge als durch das ND-Bypass-System strömt, ohne dabei eine maximal zulässige Abdampftemperatur zu überschreiten. Bei grösserer Last und bei geschlossenem ND-Bypassventil wird der Druck im Zwischenüberhitzer mit dem Abfangventil als Stellglied so lange geregelt, bis das Abfangventil vollständig geöffnet ist.
• Einsatz einer ”Turbinen-Anfahrleitung”, die den HD-Abdampf vor Rückschlagklappe mit dem Kondensator verbindet und aus Dampfventil und Dampfeinführungsvorrichtung mit Wassereinspritzung besteht und damit den HD-Abdampfdruck vom Druck im Zwischenüberhitzer entkoppelt. Die DE 2837502 C2 z. B. beschreibt eine derartige Anordnung, bei welcher eine Entlastungsleitung vorgesehen ist, welche den Ausgang der Hochdruckturbine vor dem Eintritt des Zwischenüberhitzers direkt mit dem Kondensator verbindet. Da bei ist eine Wassereinspritzung in dieser Entlastungsleitung vorgesehen, welche den Dampf vor der Einführung in den Kondensator entsprechend abkühlt. Durch diese Schaltung wird ein zu starker Temperaturanstieg in der Endstufe der Hochdruckturbine beim Anfahren oder im Schwachlastbetrieb verhindert und das Anfahren der Turbine erfolgt unabhängig von der Kesselmindestlast. Ein anderes Konzept (z. B. beschrieben in US 3,277,651 ) verbindet den HD-Austritt beim Anfahren mit dem Speisewasserbehälter, um damit beim Anfahren den HD-Abdampfdruck zu reduzieren. Beim Hochfahren wird dabei in der ersten, die Hochdruckturbine durchströmenden und diese aufwärmenden Phase der heisse Abdampf dieser Turbine direkt einem Speisewasserbehälter respektive Entgaser zugeführt, anstatt den Zwischenüberhitzer zu passieren und der Niederdruckturbine zugeführt zu werden. Die Hochdruckturbine wird dabei mit Dampf angesteuert, welcher nicht nur den Kessel, sondern auch anschliessend den Zwischenüberhitzer passiert hat. Für den Fall, dass gleichzeitig auch die Niederdruckteile aufgewärmt werden sollen, ist vorgesehen, dass dieser doppelt überhitzte Dampf gleichzeitig auch der Niederdruckturbine zugeführt wird, und somit Hochdruckturbine und Niederdruckturbine in der Aufwärmehase parallel geschaltet sind.

All diesen Konzepten ist gemeinsam, dass durch geeignete Massnahmen der HD-Abdampfdruck abgesenkt und damit Ventilation der HD-Turbine verhindert, resp. begrenzt wird.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Dampfturbinenanlage zur Verfügung zu stellen, welche ein paralleles, schonendes und zeitsparendes Vorwärmen der HD-Turbine und der MD/ND-Turbine ermöglicht und bei Lastabschaltung oder beim Anfahren, insbesondere beim Kaltstart, es erlaubt, den HD-Abdampfdruck abzusenken und damit eine Ventilation der HD-Turbine zu verhindern oder zu begrenzen ohne gleichzeitige Überbeanspruchung der MD oder ND-Turbine. Dies bei einer Dampfturbinenanlage mit einem zwischen Hochdruckturbine und Mitteldruck- oder Niederdruckturbine angeordneten Zwischenüberhitzer, wobei zwischen Hochdruckturbinenaustritt und Zwischenüberhitzereintritt ein Rückschlagventil angeordnet ist, mit gegebenenfalls einem Hochdruckbypass, welcher von einer die Hochdruckturbine beaufschlagenden Frischdampfleitung abzweigt und in die Hochdruck-Abdampfleitung zwischen Rückschlagventil und Zwischenüberhitzereintritt mündet, und mit weiterhin gegebenenfalls einem Niederdruckbypass, welcher vom Zwischenüberhitzeraustritt in einen Kondensator führt.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, indem eine Überströmleitung vorgesehen ist, welche, den Zwischenüberhitzer überbrückend, die Hochdruck-Abdampfleitung der Hochdruckturbine mit der Mitteldruckturbine verbindet. Zur Regelung der Ansteuerung dieser Überströmleitung ist bevorzugt eine Regeleinrichtung vorhanden, die dem thermischen Zustand und den Bedürfnissen sowohl der HD-Turbine als auch der MD-Turbine und der ND-Turbine Rechnung trägt.
Der Kern der Erfindung besteht folglich darin, durch eine direkte, gezielte Verbindung von Hochdruckturbine und Mitteldruckturbine beim Hochfahren einen Betrieb in Fahrweise ohne Zwischenüberhitzung zu erlauben, und dadurch auf der einen Seite die genannten Ventilations-, Temperatur- und Druckprobleme im Ausgangsbereich der Hochdruckturbine zu vermeiden, und zudem beim Hochfahren ein schnelles, gleichzeitiges, paralleles Erwärmen sowohl von Hochdruck- als auch von Mittel- und Niederdruckteilen zu erlauben. Der Tatsache, dass die HD-Abdampftemperatur ein meist niedrigeres Niveau aufweist als die „heisse” Zwischenüberhitzer-Temperatur hinter dem Zwischenüberhitzer wird vorteilhafterweise durch Einführung des HD-Abdampfes an einer tieferen Stufenreihe, d. h. an einer unterhalb der ersten Schaufelreihe liegende Schaufelreihe der MD-Turbine oder/und durch geeignete Regeleingriffe Rechnung getragen.
So wird eine kürzere Anfahrzeit ermöglicht, und ausserdem gibt es keine betrieblichen Beschränkungen der Kesselmindestlast. Des weiteren kann auf eine Anfahrleitung mit Wassereinspritzung und separatem Kondensatoranschluss, d. h. auf eine Dampfeinführungsvorrichtung, verzichtet werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform zweigt dabei die Überströmleitung von der Hochdruck-Abdampfleitung vor dem Rückschlagventil ab. Weiterhin bevorzugt ist in der Überströmleitung ein Hochdruck-Überströmventil angeordnet, welches so dimensioniert wird, dass bei Nenndrehzahl die Hochdruckabdampftemperatur beim Anfahren einen Zielwert für die HD-Abdampftemperatur z. B. von 400°C nicht überschreitet.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Dampfturbinenanlage weist das obengenannte Hochdruck-Überströmventil eine Durchflussbegrenzungsregelung auf, die es gegebenenfalls erlaubt, den Bedürfnissen des Zwischenüberhitzers nach Begrenzung der Dampfentnahme aus der „kalten” Zwischenüberhitzerschiene Rechnung zu tragen. Ausserdem kann das Hochdruck-Überströmventil als schnellschliessendes Ventil ausgebildet sein, das heisst mit einer Schliesszeit im Bereich von < 1 s. Das Ventil kann als AUF/ZU Ventil, oder aber auch als regelbares Ventil gestaltet sein.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Überströmleitung an einer tieferen Stufenreihe, d. h. an einer unterhalb der ersten Schaufelreihe liegenden Schaufelreihe in die Mitteldruckturbine eingeleitet. Bei dieser Einleitung werden einerseits die zu erwartenden Temperaturen in den verschiedenen Betriebsarten (Anfahren, Leistungsbetrieb, Lastabwurf/Betrieb zur Deckung des Eigenbedarfs) berücksichtigt als auch die konstruktiven Gegebenheiten der MD-Turbine. Allgemeiner erweist es sich als vorteilhaft, die Einleitung in die Mitteldruckturbine an einer Stelle vorzunehmen, bei welcher konstruktiv bereits eine Dampfentnahme z. B. für Regenerativvorwärmer ausgebildet ist und deren Temperaturniveau dem der zu erwartenden HD-Abdampftemperatur entspricht. Diese Einführung in die Mitteldruckturbine hat zur Folge, dass eben beim Ausgang der Hochdruckturbine keine unerwünscht hohen Temperatur- und Druckbedingungen auftreten, und dass gleichzeitig eine optimale Erwärmung der Niederdruckbestandteile der Dampfturbinenanlage erfolgt. Insbesondere erlaubt diese Einführung in die Mitteldruckturbine das gleichzeitige Drehen der beiden Turbinen, ohne dass die Hochdruckturbine unkontrollierbar eine unzulässige Ventilation zeigt. Bei einem Lastabwurf entstehen so keine unzulässigen Temperaturen in der MD-Turbine.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung in die Leitung zwischen Zwischenüberhitzer und Mitteldruckturbine mündet, insbesondere vor einem in der Leitung vorgesehenen Ventil, d. h. Sicherheitsventil oder Abfangventil. In diesem Fall kann eine zu niedrige Temperatur resp. ein zu niedriges Druckniveau des so der Mitteldruckturbine eingangs zugeführten Dampfes dem geforderten Eingangswert in die Mitteldruckturbine angepasst werden, indem dem durch die Überströmleitung geführten Dampf zusätzlich heisser Dampf zugemischt wird, welcher den Zwischenüberhitzer passiert hat.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Das Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage, wie sie oben beschrieben ist. Das Verfahren zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass beim Hochfahren der Anlage aus dem kalten Zustand oder bei Lastabschaltung der Hochdruck-Abdampf aus der Hochdruckturbine wenigstens teilweise über die Überströmleitung unter Überbrückung des Zwischenüberhitzers der Mitteldruckturbine zugeführt wird. Bei einer Dampfturbinenanlage mit direkter Einführung der Überströmleitung in die MD-Turbine wird vorzugsweise bei Einführung des HD-Abdampfs in eine tiefere Stufenreihe der MD-Turbine beim Hochfahren der Anlage aus dem kalten Zustand bis zu einer kritischen Umdrehungszahl, bevorzugt von ca. 600 bis ca. 1000 U/min, der gesamte aus der Hochdruckturbine austretende Hochdruck-Abdampf über die Überströmleitung direkt der Mitteldruckturbine zugeführt, und dann bei Drehzahl von oberhalb dieser kritischen Umdrehungszahl, normalerweise oberhalb von ca. 1000 U/min, bis Nenndrehzahl die Drehzahl – unter Einbezug einer geringen Öffnung der Abfangventile erhöht, ohne dass in der Hochdruckturbine unzulässige Ventilation erfolgt. In der gleichen Weise erfolgt auch das Synchronisieren bis dann mit zunehmender Belastung und stärkerer Einbeziehung der Abfangventile über das Rückschlagventil auf den Zwischenüberhitzerbetrieb übergegangen wird. Dabei kann alternativ gleichzeitig mit dem Übergang auf den Zwischenüberhitzerbetrieb das Hochdruck-Überströmventil geschlossen werden, oder aber es kann das Ventil sukzessive geschlossen werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Dampfturbinenanlage ohne Überströmleitung;
2 eine schematische Darstellung einer Dampfturbinenanlage mit Überströmleitung; und
3 eine alternative Anordnung einer Überströmleitung.
1 zeigt zunächst eine konventionelle Dampfturbinenanlage mit Zwischenüberhitzer 7 und drei Dampfstufen, einer Hochdruckturbine 2, einer Mitteldruckturbine 3 und einer Niederdruckturbine 4. Die Hochdruckturbine 2 wird über eine Frischdampfleitung 10 mit heissem Dampf aus dem Kessel 1 beaufschlagt. Die Frischdampfleitung 10 weist dabei Ventile 13, 14 auf, mit denen der Eintritt in die Hochdruckturbine 2 geregelt, respektive abgesichert werden kann. Hinter der Hochdruckturbine 2 wird der heisse Dampf in der HD-Abdampfleitung 15 über ein Rückschlagventil 16 und eine kalte Zwischenüberhitzerleitung 39 einem Zwischenüberhitzer 7 zugeführt, und anschliessend über eine Leitung 20, der heissen Zwischenüberhitzerleitung, welche wiederum von Ventilen 21, 22 geregelt, respektive gesichert werden kann, dem Eingang in die Mitteldruckturbine 3 zugeführt. Der aus der Mitteldruckturbine 3 austretende Dampf 23 wird zuletzt der Niederdruckturbine 4 zugeführt, und in dieser in einem letzten Schritt entspannt. Die drei Turbinen 2, 3, und 4 treiben dabei einen Generator G zur Stromerzeugung an. Hinter der Niederdruckturbine 4 wird der beinahe vollständig entspannte Dampf 24 einem Kondensator 5 zugeführt, welcher mit einem Kühlmedium 25 (gasförmig oder flüssig) gekühlt wird, was dazu führt, dass hinter dem Kondensator das Wasser 26 im flüssigen Zustand vorliegt. Dieses Wasser wird nun einem Speisewasserbehälter 6, gegebenenfalls mit aufgesetztem Entgaser 27, zugeführt, und dort bereit gehalten. In einem geschlossenen Kreislauf wird das entgaste Wasser 28 dem Speisewasserbehälter 6 entnommen, in Vorwärmstufen 8 erwärmt und als Dampf 29 in den Kessel 1 zur Erhitzung eingeleitet.
Zur Kontrolle einer derartigen Dampfturbinenanlage, insbesondere bei Lastabschaltung oder beim Anfahren sind nun ausserdem zusätzliche mögliche Dampfführungen vorgesehen. So z. B. ist ein Hochdruckbypass 11 angeordnet, welcher über ein Hochdruckumleitventil (HD-Umleitventil) 12 regelbar die Frischdampfleitung 10 vor den Ventilen 13 und 14 mit der kalten Zwischenüberhitzerleitung zwischen Hochdruckturbine 2 und Zwischenüberhitzer 7 hinter dem Rückschlagventil 16 verbindet. Dieser Hochdruckbypass 11 mit Wassereinspritzung 9 erlaubt ein Überbrücken der Hochdruckturbine 2. Des weiteren ist ein über ein Niederdruckumleitventil (ND-Umleitventil) 19 regelbarer Niederdruckbypass 18 zwischen der Leitung hinter dem Zwischenüberhitzer 7 und dem Kondensator 5 angeordnet. Der Niederdruckbypass 18 erlaubt ein Überbrücken von Mitteldruckturbine 3 und Niederdruckturbine 4, was insbesondere beim Hochfahren der Anlage aus dem kalten Zustand notwendig sein kann. Um eine starke Überhitzung von Teilen der Anlage zu verhindern, ist im Niederdruckbypass 18 die Möglichkeit einer Einspritzung von Wasser 9 in die Leitung 18 vor Einleitung in den Kondensator 5 vorgesehen. Niederdruck- und Hochdruckbypässe bilden also zusammen das eingangs erwähnte kaskadierende Umleitsystem.
Zur Kontrolle eines Anfahrens aus dem Kaltzustand und gegen übermässige Erhitzung der Hochdruckturbine 2 kann ausserdem eine Anfahr- oder Entlastungsleitung 17 vorgesehen sein, welche, zwischen Rückschlagventil 16 und Zwischenüberhitzer 7 abzweigend, den heissen Dampf hinter der Hochdruckturbine 2 mit dem Kondensator 5 verbindet. Auch in dieser Entlastungsleitung 17 ist ein Ventil 19 sowie eine Wassereinspritzung 9 in vorgesehen. Diese Anordnung einer Entlastungsleitung 17 mit Wassereinspritzung 9 ist aus der DE 2837502 C2 bekannt, und in dieser als vorteilhaft für Lastabschaltung und Anfahren beschrieben.
2 zeigt nun eine Dampfturbinenanlage mit einer erfindungsgemässen Überströmleitung 33. Die Bezugszeichen, wie sie in 1 verwendet werden, gelten dabei auch für 2.
Zwischen dem Ausgang der Hochdruckturbine 2 und dem Rückschlagventil 16 wird eine Überströmleitung 33 von der HD-Abdampfleitung 15 abgezweigt, welche Überströmleitung 33 direkt in die Mitteldruckturbine 3 mündet. Bei der Einleitung in die MD-Turbine werden einerseits die zu erwartenden Temperaturen in den verschiedenen Betriebsarten (Anfahren, Leistungsbetrieb, Lastabwurf/Betrieb zur Deckung des Eigenbedarfs) berücksichtigt, als auch die konstruktiven Gegebenheiten der MD-Turbine.
Es erweist sich dabei in Anbetracht des üblicherweise im Vergleich zu den Eingangsnennwerten der Mitteldruckturbine niedrigeren Temperatur- resp. Druckniveaus des durch die Überströmleitung strömenden Dampfes als vorteilhaft oder sogar als notwendig, die Überströmleitung 33 auf eine unterhalb der ersten Schaufelreihe 40 liegende Schaufelreihe 41 in die Mitteldruckturbine 3 münden zu lassen.
Vorzugsweise wird dabei eine Stelle ausgewählt, bei welcher konstruktiv bereits eine Dampfentnahme 42 (Anzapfstelle) z. B. für Regenerativvorwärmer ausgebildet ist und deren Nenntemperatur nahe der erwünschten HD-Abdampftemperatur ist. Eventuelle Temperatur- oder Druckunterschiede könnten resp. müssten bei der direkten Verwendung einer derartigen Anzapfstelle 42 ggf. in Kauf genommen werden.
In der Überströmleitung 33 ist ein Hochdruck-Überströmventil 34 angeordnet, welches dazu dient, die Leitung für den Anfahrvorgang zu öffnen. Insbesondere geschieht das bei einem Anfahren aus dem Kaltzustand. Das Hochdruck-Überströmventil 34 ist dabei vorteilhaft als schnellschliessendes Ventil ausgestaltet, das heisst, es weist bevorzugt Schliesszeiten im Bereich von < 1 s auf. Das Hochdruck-Überströmventil 34 wird so dimensioniert dass bei Nenndrehzahl (50 Hz, 60 Hz) und den üblichen, kesselabhängigen Nenn-Frischdampfdaten die Abdampftemperatur der Hochdruckturbine 2 beim Hochfahren aus dem kalten Zustand einen Wert von ca. 400 Grad Celsius nicht überschreitet.
Die Steuerung der Sicherheitsventile 13 und 21, sowie von Einlassventil 14 und Abfangventil 22 findet bei einer derartigen Dampfturbinenanlage über ein elektronisches Sicherheitssystem 30 statt, welches eine Auslösereinheit 32 (hydraulische Schutzabschaltung über Magnetventile) steuert. Die Sicherheitsventile 13 und 21 werden dabei über Schnellschlussantriebe betätigt. Einlassventil 14 und Abfangventil 22 verfügen über einen elektrohydraulischen Stellantrieb. Die Turbinenregelung 31 steuert beim Anfahrvorgang sowohl das Einlassventil 14 und das Abfangventil 22, als auch das Hochdruck-Überströmventil 34.
Das zugehörige Regelkonzept baut auf dem Standardregelkonzept einer Zwischenüberhitzer-Turbine der Anmelderin mit Einzelansteuerung der Einlassventile 14 und Abfangventile 22 resp. HD/MD-Vertrimmung auf. Das HD-Überströmventil 34 kann je nach Erfordernissen als Regelventil oder auch nur als AUF/ZU-Ventil ausgeführt werden. Die zusätzliche Regelung, resp. deren Neuerung infolge der erfindungsgemässen Mittel, steuert die Einlassventile 14 und Abfangventile 22 sowie das HD-Überströmventil 34 unter Berücksichtigung aller erforderlichen Messungen, sodass allen betriebliche Anforderungen, v. a. aber den Anforderungen bezüglich Begrenzung der HD- und ND-Abdampftemperatur, einem parallelen Anwärmen von HD- und MD-Turbine sowie der thermischen Beanspruchung von HD- und MD-Turbine und den Anforderungen des Kessels 1 bzgl. Dampfentnahme aus der kalten Zwischenüberhitzerleitung 39, Rechnung getragen werden kann, und die Auslegung des ND-Bypass 18 nicht mehr überwiegend durch Anforderungen seitens der Dampfturbine bestimmt wird.
Die Überströmleitung 33 erübrigt die in 1 vorgesehene Entlastungsleitung 17 mit Wassereinspritzung 9 beim Hochfahren, da infolge der bewirkten Überbrückung des Zwischenüberhitzers 7 beim Hochfahren einerseits der HD-Abdampfdruck abgesenkt und damit Ventilation der HD-Turbine begrenzt wird und diese damit nicht übermässig erhitzt wird. Andererseits weist diese Schaltung den Vorteil auf, dass die Niederdruckteile (Mitteldruckturbine 3 und Niederdruckturbine 4) gleich beim Anfahrvorgang der Hochdruckturbine 2 aufgewärmt werden, und dies nicht in einem zweiten Schritt erfolgen muss. Durch die Einführung des HD-Abdampfes in eine tiefere Stufenreihe, d. h. in eine unterhalb der ersten Schaufelreihe liegenden Schaufelreihe der MD-Turbine (mit gegenüber der Temperatur der „heissen” Zwischenüberhitzerschiene reduzieren Temperaturen) verursacht der HD-Abdampf keine unzulässige Abkühlung von Bauteilen der MD-Turbine nach einem Lastabwurf. Insgesamt reduziert sich durch eine derartige Schaltung beim Hochfahren die Beanspruchung des Hochdruckturbinen-Abdampfes. Zudem wird grundsätzlich die kalte Zwischenüberhitzerleitung nicht mehr so hoch belastet. Es verringert sich die durchschnittliche Anfahrzeit einer derartigen Anlage aus dem kalten Zustand beträchtlich.
Beim Hochfahren der Anlage aus dem kalten Zustand wird nun typischerweise so vorgegangen, dass zunächst bis 600–1000 U/min bei offenen Ventilen 13 und 14, geschlossenen Ventilen 21 oder 22, und insbesondere offenem Hochdruck-Überströmventil 34, alle Dampfturbinen 2, 3, und 4 betrieben werden. Die weitere Erhöhung der Drehzahlen bis Nenndrehzahl wird unter geringer Einbeziehung der Abfangventile realisiert, wobei die Hochdruckturbine 2 derart mit einbezogen wird, dass keine unzulässige Ventilation erfolgt. Mit anderen Worten wird die Dampfturbinenanlage bis zu einem Mindestlastbereich (abhängig von der Thermodynamik der Anlage) als Dampfturbinenanlage quasi ohne Zwischenüberhitzer betrieben (unter geringer Einbeziehung der Abfangventile). Oberhalb dieser Mindestleistung findet ein Übergang auf den Zwischenüberhitzerbetrieb über das Rückschlagventil 16 statt.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Abdampf der Hochdruckturbine 2 wird hier direkt in die heisse Zwischenüberhitzerleitung 20 zur nachfolgenden Druckstufe eingeleitet. Mitteldruck- und Niederdruckturbine sind hier in einer Turbine 3/4 zusammengefasst, deren Ausgang direkt dem Kondensator 5 zugeleitet wird. Ausserdem ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zweiter, nicht dargestellter Zwischenüberhitzer vorgesehen, dessen Ausgang 38 über ein erstes Absperrventil 37 regelbar mit der heissen Zwischenüberhitzerleitung 20 verbunden ist. Ein zweites Absperrventil 36 ist in der heissen Zwischenüberhitzerleitung 20 zwischen dem ersten Zwischenüberhitzer 7 und dem Ausgang 38 des zweiten Zwischenüberhitzers vorgesehen.
Das Anfahren der MD/ND-Turbine 3/4 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit geöffnetem Abfangventil 22. Der Kesselausgang der heissen Zwischenüberhitzerleitung 20 muss vorher über das Absperrventil 36 von der Dampfzuführung zur MD/ND-Turbine 3/4 abgesperrt und der Zwischenüberhitzer-Austritt durch Öffnen des ND-Umleitventils 35 über den ND-Bypass 18 mit dem Kondensator 5 verbunden werden. Diese zweite Variante eignet sich besonders für die Anwendung bei Mehrkesselanlagen (z. B. Combined Cycle), die ohnehin über Absperrventile 36, 37 am heissen Zwischenüberhitzer-Austritt verfügen müssen.
Wiederum baut das zugehörige Regelkonzept auf dem Standardregelkonzept einer Zwischenüberhitzer-Turbine der Anmelderin mit Einzelansteuerung der Einlassventile 14 und Abfangventile 22 respektive HD/MD-Vertrimmung auf. Die zusätzliche, infolge der Überströmleitung 33 und des HD-Überströmventils 34 erforderliche Turbinenregelung 31 steuert die Einlass- und Abfangventile 14, 22 sowie das HD-Überströmventil 34 unter Berücksichtigung aller erforderlichen Messungen, sodass allen betrieblichen Anforderungen, vor allem aber den Anforderungen bezüglich Begrenzung der HD- und ND-Abdampftemperatur, einem parallelen Anwärmen von HD- und MD-Turbine sowie der thermischen Beanspruchung von HD- und MD-Turbine und den Anforderungen des Kessels 1 bzgl. Dampfentnahme aus der kalten Zwischenüberhitzerleitung 39, Rechnung getragen werden kann. Dadurch wird die Auslegung des ND-Bypass 18 nicht mehr überwiegend durch die Anforderungen seitens der Dampfturbine bestimmt.
Beim Kaltstart unter Verwendung einer derartigen Überströmleitung 33 erfolgt das Anfahren mit geöffneten Abfangventilen (22) und geschlossenen Absperrventilen (36, 37), die Turbine wird anschliessend mit den Frischdampfventilen (14) auf Nenndrehzahl hochgefahren, unter Berücksichtigung der kritischen Drehzahlen und der thermischen Beanspruchung, sowie synchronisiert und auf Mindestlast belastet wird, bevor der Übergang auf Zwischenüberhitzerbetrieb schonend unter Berücksichtigung der Verhältnisse in der heissen Zwischenüberhitzerleitung (20) erfolgt.
Da bei dieser Variante der HD-Abdampf über den Eintritt der MD-Turbine geführt wird, muss durch sorgfältiges Beimischen von Dampfmengen aus der „heissen” Zwischenüberhitzerschiene über die Ventile 36 resp. 37 beim Heissstart und nach Lastabwürfen mit nachfolgender Eigenbedarfssicherung durch die Dampfturbine ein zu starkes Abkühlen der MD-Turbine vermieden werden. Ein ähnlicher Effekt kann durch Androsseln des Überströmventils 34 erreicht werden, entweder allein oder zusätzlich, wobei dann ein kontrolliertes Ventilieren der HD-Turbine stattfindet.
Bezugszeichenliste

1: Kessel
2: HD-Turbine
3: MD-Turbine
4: ND-Turbine
5: Kondensator
6: Speisewasserbehälter
7: Zwischenüberhitzer
8: Vorwärmstufen
9: Wassereinspritzung
10: Frischdampfleitung
11: Hochdruckbypass
12: HD-Umleitventil
13: Sicherheitsventil in 10
14: Einlassventil
15: HD-Abdampfleitung
16: Rückschlagventil
17: Entlastungsleitung
18: Niederdruckbypass
19: ND-Umleitventil
20: heisse Zwischenüberhitzerleitung
21: Sicherheitsventil in 20
22: Abfangventil
23: Dampf hinter 3
24: Dampf hinter 4
25: Kühlmedium
26: kondensiertes Wasser
27: Entgaser
28: entgastes Wasser
29: in den Kessel eingeleiteter Dampf
30: elektronisches Sicherheitssystem
31: Turbinenregelung
32: Auslöseeinheit
33: Überströmleitung
34: Hochdruck-Überströmventil
35: Umleitventil in 18
36: Absperrventil vom ersten Zwischenüberhitzer
37: Absperrventil vom zweiten Zwischenüberhitzer
38: Leitung von einem zweiten Zwischenüberhitzer
39: kalte Zwischenüberhitzerleitung

Claims

Dampfturbinenanlage mit einem zwischen Hochdruckturbine (2) und Mitteldruck- (3) oder Niederdruckturbine (4) angeordneten Zwischenüberhitzer (7), wobei zwischen Hochdruckturbinenaustritt und Zwischenüberhitzereintritt ein Rückschlagventil (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Überströmleitung (33) vorgesehen ist, welche, den Zwischenüberhitzer (7) überbrückend, die Hochdruck-Abdampfleitung (15) der Hochdruckturbine (2) mit der Mitteldruckturbine (3) verbindet.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (33) auf eine unterhalb der ersten Schaufelreihe (40) liegende Schaufelreihe (41) in die Mitteldruckturbine (3) mündet.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (33) in die Leitung (20) zwischen Zwischenüberhitzer (7) und Mitteldruckturbine (3) mündet, insbesondere vor einem in der Leitung (20) vorgesehenen Ventil (21, 22).
Dampfturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Hochdruckbypass (11) angeordnet ist, welcher von einer in die Hochdruckturbine (2) mündenden Frischdampfleitung (10) in die Hochdruck-Abdampfleitung (15) zwischen Rückschlagventil (16) und Zwischenüberhitzereintritt mündet, und ein Niederdruckbypass (18) vorhanden ist, welcher vom Zwischenüberhitzeraustritt in einen Kondensator (5) führt.
Dampfturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (33) von der Hochdruck-Abdampfleitung (15) vor dem Rückschlagventil (16) abzweigt.
Dampfturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überströmleitung (33) ein Hochdruck-Überströmventil (34) angeordnet ist.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruck-Überströmventil (34) so dimensioniert ist, dass bei Nenndrehzahl die Hochdruck-Abdampftemperatur in der Hochdruck-Abdampfleitung (15) einen maximalen Zielwert nicht überschreitet.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruck-Überströmventil (34) eine Einrichtung zur Begrenzung des maximalen Dampfdurchflusses aufweist.
Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruck-Überströmventil (34) ein schnellschliessendes Ventil, insbesondere ein Ventil mit einer Schliesszeit im Bereich von < 1 s ist.
Dampfturbinenanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (33) an einer Stelle in die Mitteldruckturbine (3) einmündet, welche bei Nennbetrieb eine dem Zielwert der HD-Abdampftemperatur vergleichbare Temperatur aufweist.
Dampfturbinenanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmleitung (33) in eine konstruktiv vorhandene Entnahmestelle (42) für Anzapfdampf in die Mitteldruckturbine (3) einmündet.
Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Hochfahren der Anlage aus dem kalten Zustand oder bei Lastabschaltung der Hochdruck-Abdampf aus der Hochdruckturbine (2) wenigstens teilweise über die Überströmleitung (33) unter Überbrückung des Zwischenüberhitzers (7) der Mitteldruckturbine (3) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu einem Drehzahlpunkt im Bereich einer ersten kritischen Drehzahl, insbesondere bis zu einer Umdrehungszahl von ca. 600 bis ca. 1000 U/min, der gesamte aus der Hochdruckturbine (2) austretende Hochdruck-Abdampf über die Überströmleitung (33) direkt der Mitteldruckturbine (3) zugeführt wird, dass bei Drehzahlen oberhalb des genannten Drehzahlpunktes, insbesondere oberhalb von ca. 1000 U/min, bis Nenndrehzahl die Drehzahl unter Einbezug einer geringen Öffnung der Abfangventile erhöht wird, ohne dass in der Hochdruckturbine (2) oder in der Mitteldruckturbine (3, 40) unzulässige Ventilation erfolgt, und dass oberhalb einer anlagenspezifischen Mindestlast über das Rückschlagventil (16) auf den Zwischenüberhitzerbetrieb übergegangen wird, gefolgt vom weiteren normalen Belasten der Turbine.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb der Überströmleitung (33) bei Lastabschaltungen oder bei Heissstart der Mitteldruckturbine (3) gezielt Dampfmengen, welche den Zwischenüberhitzer (7) passiert haben, über eigens dafür vorgesehene Ventile (36, 37) und/oder durch Androsseln des Überströmventils (34) beigemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang auf den Zwischenüberhitzerbetrieb das Hochdruck-Überströmventil (34) sukzessive geschlossen wird bei gleichzeitiger Öffnung des Absperrventils (36, 37) und unter Konstanthaltung der Dampfeinströmung in die MD-Turbine durch die Turbinenregelung (31) und die Abfangventile (22), um eine Zuschaltung des Dampfes, welcher den Zwischenüberhitzer (7) passiert hat, über die heisse Zwischenüberhitzerleitung (20) schonend und unter Berücksichtigung der thermischen Beanspruchung der Mitteldruckturbine (3) durchzuführen, gefolgt vom weiteren normalen Belasten der Turbine.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kaltstart das Anfahren mit geöffneten Abfangventilen (22) und geschlossenen Absperrventilen (36, 37) erfolgt, die Turbine (2, 3, 4) mit den Frischdampfventilen (14) auf Nenndrehzahl hochgefahren wird unter Berücksichtigung der kritischen Drehzahlen und der thermischen Beanspruchung, sowie synchronisiert und auf Mindestlast belastet wird, bevor der Übergang auf Zwischenüberhitzerbetrieb schonend unter Berücksichtigung der Verhältnisse in der heissen Zwischenüberhitzerleitung (20) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Übergang auf den Zwischenüberhitzerbetrieb das Hochdruck-Überströmventil (34) geschlossen wird.