DE10356521A1 - Aktive Schubsteuereinrichtung für kombinierte Dampfturbinen mit grosser Dampfextraktion - Google Patents

Aktive Schubsteuereinrichtung für kombinierte Dampfturbinen mit grosser Dampfextraktion Download PDF

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Abstract

Eine Dampfturbine mit einem kombinierten Zyklus, die ein System zur Bereitstellung von Prozeß-Extraktionsdampf aufweist, enthält ein Steuersystem, um der Schubwirkung der Dampfextraktionsströmung am Ausgang des Hochdruckabschnittes der Dampfturbine entgegenzuwirken. Das Steuersystem enthält eine Ventil- und Leitungsanordnung zum Umleiten von HD-Ausgang-Packungs-Leckdampf von einer einen niedrigeren Druck aufweisenden Stufe zu einer einen höheren Druck aufweisenden Stufe in einem Zwischendruckabschnitt der Dampfturbine.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Axialschubes einer Dampfturbine, um das gesamte Leistungsvermögen und die Betriebssicherheit von einer Dampfturbine zu verbessern.
  • Übliche Dampfturbinen lösen die große Änderung in der Schublast dadurch, daß sie die Schublagerfläche vergrößern und eine Richtungsänderung der Schublast von dem aktiven Schublager zu dem inaktiven Schublager vermeiden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung steuert den axialen Schub der Dampfturbine, indem sie der Schubwirkung einer großen Dampfextraktionsströmung am Ausgang des Hochdruck (HD)-Abschnittes entgegenwirken.
  • Üblicherweise besteht der Zweck der Extraktionsströmung darin:
    • a) für eine Dampfinjektion in das Verbrennungssystem der Gasturbine zu sorgen, um die Ausgangsleistung der Gasturbine zu erhöhen, oder
    • b) für Prozeß-Extraktionsdampf zu sorgen.
  • Die aktive Schubsteuerung wird durch eine Leitungs- und Ventilanordnung erreicht, die den Druck an einer Packungsstufe steuert, wenn der Dampf von dem HD Ausgang extrahiert wird, wodurch dem erhöhten Stufenschub durch einen äquivalenten, aber entgegengesetzten vergrößerten Stufenschub entgegengewirkt wird. Dies hat einen gesamten verringerten Schublastbereich zur Folge und gestattet die Verwendung von kleineren Schublagern mit verringerten mechanischen Verlusten.
  • Das vorgeschlagene Schubsteuersystem löst zwei Probleme. Erstens, das erfindungsgemäße Schubsteuersystem verkleinert den Bereich der Schublagerlast für eine Maschine mit einem kombinierten Zyklus, die für große Extraktionsströmungen von dem Hochdruch (HD)-Ausgang ausgelegt ist. Mit einem verkleinerten Schublastbereich können die Größe des Schublagers und die mechanischen Verlu ste verkleinert werden, was einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad der Maschine zur Folge hat.
  • Zweitens vermeidet das erfindungsgemäße Schubsteuersystem eine Null- oder Zwischenschubbelastung und verkleinert das Risiko eines instabilen Schublagerbetriebs und seiner möglichen Beeinträchtigung der Sicherheit des Schublagers.
  • Die Erfindung verbessert die gesamte Leistungsfähigkeit und die Betriebssicherheit von einer einen kombinierten Zyklus aufweisenden Dampfturbine, indem die Schubbelastung auf einen kleineren Bereich gesteuert wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt in schematischer Form ein Schubsteuersystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;
  • 2 stellt in schematischer Form ein Steuersystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar;
  • 3 zeigt in schematischer Form den Steuerkreis zum Steuern der Ventile in dem Schubsteuersystem und
  • 4 zeigt in schematischer Form einen anderen Steuerkreis zum Steuern der Ventile in dem Schubsteuersytem.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 und 2 zeigen eine einen kombinierten Zyklus aufweisende Dampfturbine, die in einer einzelnen Strömung Hochdruck (HD)- und Zwischendruck (ZD)-Abschnitte aufweist. Der Ausgang aus dem ZD-Abschnitt strömt zu dem Niederdruck (ND) Abschnitt (in 1 nicht gezeigt) über eine Querleitung. Ein Nacherhitzer 18 sorgt für nacherhitzten Dampf, der von dem HD-Abschnitt zu dem ZD-Abschnitt abgegeben wird. Das System sorgt auch für eine HD Ausgangsströmung von Extraktionsdampf, der für andere Geräte verwendet werden kann, wie beispielsweise eine Gasturbine oder ein Prozeßsystem.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist das Schubsteuersystem Leitungen 10 und Ventile 12, 14 auf, die durch ein Steuerventil aktiviert werden, um das N1 Packungs-Leckleitungsziel von einer einen niedrigeren Druck aufweisenden Stufe zu einer einen höheren Druck aufweisenden Stufe des Zwischendruck (ZD)-Abschnittes umzu leiten, wenn die HD-Ausgangs-Extraktionsströmung über ein Ventil 16 eingeschaltet ist.
  • Die Erfindung hat mehrere Merkmale, die, wenn sie kombiniert werden, den verkleinerten Schublastbereich zur Folge haben. Beispielsweise muß der Rotor mit einer größeren Stufe an dem N1-Leckpunkt ausgelegt werden, der einen Stufenschub entgegengesetzt zur Richtung des HD-Stufenschubes erzeugt.
  • Die N1-Leckstelle muß mit zwei unterschiedlichen Punkten in der stromabwärtigen Dampfbahn verbunden werden: (1) mit dem ZD Ausgang (bestehende Verbindung); und (2) mit einer Stufe mit einem höheren Druck stromaufwärts von dem ZD Ausgangspunkt (neue Verbindung). Die zweite Verbindung erfordert eine neue Manteldurchdringung zwischen dem heißen Nacherhitzungskessel und dem ZD Ausgang.
  • Die zwei neuen motorbetätigten Ventile 12,14 ( Schubsteuerventile TCV1 und TCV2) sind vorgesehen, um die N1 Packungsleckströmung von dem ZD Ausgangspunkt A zu einem neuen, einen höheren Druck aufweisenden Punkt B umzuleiten.
  • Wie in 3 gezeigt ist, enthält ein Steuersystem eine Steuereinrichtung 31 zum Senden eines Steuersignals, um die Ventile 12, 14 gleichzeitig zu betätigen, auf der Basis eines Leistungssteuersignals, das das Ventil 16 der HD Ausgangs-Extraktionsströmung aktiviert, beispielsweise eines Signals, das die Extraktionsströmung zur Dampfinjektion in das Gasturbinen-Verbrennungssytem (auch als „Leistungsverstärkung" bezeichnet) steuert. Die Aktivierung des Ventils 16 kann abgetastet und in die Steuereinrichtung 31 eingegeben werden, beispielsweise durch einen Sensor 32. Alternativ kann, wie in 4 gezeigt ist, die Steuereinrichtung 31 die Steuersignale an Ventile 12 und 14 gemäß einem im Voraus eingestellten Druckverhältnis des Druckes des HD Kessels, abgetastet am Punkt C durch einen Sensor 42, zu einem ND Ausgangsdruck, abgetastet am Punkt D durch einen Sensor 41, abgeben.
  • Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Wenn die HD-Ausgangs-Extraktion durch Öffnen des Ventils 16 eingeschaltet wird, nimmt der Druck des HD-Ausganges ab und das Druckverhältnis über den HD-Stufen nimmt zu. Zur gleichen Zeit, zu der sich der HD-Stufenschub vergrößert, verschiebt sich der resultierende Schub der Dampfturbine in Richtung der HD Ausgangsströmungsrichtung.
  • Das Schubsteuersystem wird aktiviert, wie oben beschrieben, um dem erhöhten Stufenschub entgegen zu wirken. Das Ventil 12 schließt, während das Ventil 14 öffnet, wodurch der N1 Packungs-Leckzielpunkt zu der einen höheren Druck aufweisenden Stufe umgeleitet wird. Dies erhöht den Stufenschub an der N1 Packungs-Rotorstufe, und als eine Folge steigt die Größe des Stufenschubes an. Dies wirkt dann direkt dem erhöhten Stufenschub entgegen und arbeitet in Richtung auf eine Begrenzung des Bereiches der gesamten Schublaständerung über dem gesamten Betriebsbereich.
  • Die Implementierung dieses Steuersystems erfordert eine intelligente Auswahl des Durchmessers der N1 Packungs-Rotorstufe und des Stufendruckes für die zweite N1 Packungs-Leckverbindung. Wenn der Bedarf für den HD Ausgangsextraktionsdampf beendet ist, öffnet das Ventil 12 und das Ventil 14 schließt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, verwendet ein anderes Ausführungsbeispiel ein Zweiwege-Umleitungsventil ( TCV) 21, das die Funktionen der in 1 gezeigten Ventile TCV1 und TCV2 kombiniert.
  • Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwärtig als das praktikabelste und bevorzugte Ausführungsbeispiel betrachtet wird, es ist aber verständlich, daß die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen einschließen soll, die innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche liegen.
    •

Claims (18)

  1. Dampfturbinensystem mit Einstrom-Hochdruck- und entgegengesetzten Einstrom-Zwischendruckabschnitten, einer ersten Dampfbahn von einer Packungsstufe am Ausgang des Hochdruckabschnittes zu dem Ausgang des Zwischendruckabschnittes und einem Prozeß-Extraktionssystem zum Extrahieren von Dampf aus dem Ausgang des Hochdruckabschnittes, wobei das System enthält: eine Rohrleitung (10) zum selektiven Verbinden der Packungsstufe mit einer zweiten Dampfbahn, die mit einer einen höheren Druck aufweisenden Stufe stromaufwärts von dem Zwischendruckausgang verbunden ist, und ein Steuerventilsystem (12, 14, 16), das in den ersten und zweiten Dampfbahnen angeordnet ist, zum Umleiten der Dampfbahn von dem Ausgang des Zwischendruckabschnittes zu der einen höheren Druck aufweisenden Stufe als Antwort auf ein Steuersignal (bei 31).
  2. Dampfturbinensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuerventilsystem (12, 14, 16) ein erstes Steuerventil, das in der ersten Dampfbahn angeordnet ist, und ein zweites Steuerventil aufweist, das in der zweiten Dampfbahn angeordnet ist.
  3. Dampfturbinensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuerventilsystem (12, 14, 16) ferner Steuermittel aufweist zum gleichzeitigen Schließen des ersten Steuerventils und zum Öffnen des zweiten Steuerventils, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang von dem Hochdruckabschnitt extrahiert.
  4. Dampfturbinensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuermittel ermitteln, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie abtasten, ob ein Ventil (12, 14, 16) des Prozeß- Extraktionssystems geöffnet ist.
  5. Dampfturbinensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuermittel ermitteln, ob das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie ermitteln, daß das Dampfdruckverhältnis am Einlaß und Ausgang des Hochdruckabschnittes eine vorbestimmte Zahl überschreitet.
  6. Dampfturbinensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuerventilsystem (12, 14, 16) ein Zweiwege-Umleitungssteuerventil aufweist, das in den ersten und zweiten Dampfbahnen angeordnet ist.
  7. Dampfturbinensystem nach Anspruch 6, wobei das Steuerventilsystem (12, 14, 16) ferner Steuermittel aufweist zum Betätigen des Zweiwege-Umleitungssteuerventils (21), um so die erste Dampfbahn zu schließen und die zweite Dampfbahn zu öffnen, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert.
  8. Dampfturbinensystem nach Anspruch 7, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie abtastet, ob das Steuerventil (12, 14, 16) des Prozeß-Extraktionssystem geöffnet ist.
  9. Dampfturbinensystem nach Anspruch 7, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie ermittelt, daß das Dampfdruckverhältnis am Einlaß und Ausgang des Hochdruckabschnittes eine vorbestimmte Zahl überschreitet.
  10. Verfahren zum Entgegenwirken des Schubeffektes von einer großen Dampfextraktionssströmung am Ausgang von dem Hochdruckabschnitt von einem Dampfturbinensystem, wobei das System auch wenigstens einen Zwischendruckabschnitt und eine erste Dampfbahn von einer Packungsstufe am Ausgang des Hochdrucksystems zum Ausgang des Zwischendruckabschnittes aufweist, wobei das Verfahren enthält: Bereitstellen einer zweiten Dampfbahn von der Packungsstufe zu einer einen höheren Druck aufweisenden Stufe stromaufwärts vom Zwischendruckabschnitt und Umleiten der Dampfbahn von der ersten Dampfbahn zu der zweiten Dampfbahn als Antwort auf ein Steuersignal (bei 31), das das Ventilsteuersystem betätigt, das in den ersten und zweiten Dampfbahnen angeordnet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Umleitungsschritt enthält, daß das Steuerventilsystem (12, 14, 16) derart betätigt wird, daß ein erstes Steuerventil in der ersten Dampfbahn schließt und ein zweites Steuerventil in der zweiten Dampf bahn öffnet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Betätigen des Steuerventilsystemsferner enthält, daß eine Steueranordnung zum Schließen des ersten Steuerventils und zum Öffnen des zweiten Steuerventils vennrendet wird, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie ermittelt, ob ein Steuerventil von dem Prozeß-Extraktionssystem geöffnet ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf von dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie ermittelt, ob das Dampfdruckverhältnis am Einlaß und Ausgang des Hochdruckabschnittes eine vorbestimmte Zahl überschreitet.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Umleitungsschritt enthält, daß das Steuerventilsystem (12, 14, 16) derart betätigt wird, daß das Umleitungs-Steuerventil (21), das in den ersten und zweiten Dampfbahnen angeordnet ist, die erste Dampfbahn schließt und die zweite Dampfbahn öffnet.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Betätigen des Steuerventilsystems (12, 14, 16) ferner enthält, daß die Steueranorndung (31) verwendet wird zum Betätigen des Umleitungs-Steuerventils (21) derart, daß es die erste Dampfbahn schließt und die zweite Dampfbahn öffnet, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang des Hochdrückabschnittes extrahiert, indem sie abtastet, ob ein Steuerventil (12, 14, 16) des Prozeß-Extraktionssystems geöffnet ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Steueranordnung (31) ermittelt, wenn das Prozeß-Extraktionssystem Dampf aus dem Ausgang des Hochdruckabschnittes extrahiert, indem sie ermittelt, daß das Dampfdruckverhältnis am Einlaß und Ausgang des Hochdruckabschnittes eine vorbestimmte Zahl überschreitet.
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