DE3249437C2

DE3249437C2 - Verfahren zum Verändern der Turbinen-Ausgangsleistung in einer Turbinenanlage mit einem Dampf mit überkritischem Druck liefernden Dampferzeuger

Info

Publication number: DE3249437C2
Application number: DE3249437T
Authority: DE
Inventors: John Edward Dolan
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1982-04-19
Filing date: 1982-04-19
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2002-04-20
Also published as: JPS59500679A; WO1983003635A1; EP0107650A1; GB2128257A; DE3249437T1; GB8331460D0; GB2128257B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verändern der Turbinen-Ausgangsleistung in einem Dampfkraftwerk mit einer Turbinenanlage mit einem Dampf mit überkritischem Druck liefernden Dampferzeuger.

In der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung von Dampfturbinen verwendet worden, die Teil einer Kraftanlage mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Dampfdruck und einem zwischen den Dampferzeuger und die Turbine geschalteten Überhitzer sind. Die Turbine selbst ist gewöhnlich mit einem oder mehreren Steuerventilen zum Verändern der Dampfmenge versehen, die der Turbine zum Einstellen ihrer Ausgangsleistung zugeführt wird.

Zu den Verfahren zum Regeln der Turbinen-Ausgangsleistung in Anlagen, die mit unterkritischem Dampfdruck arbeiten, gehören:

1. Die Regelung des Dampfstromes zur Turbine mittels nacheinander zu- und abschaltbarer Ventile mit konstanter oder fester Drosselung, durch die der aktive Düsenquerschnitt in der ersten Stufe der Turbine durch nacheinander erfolgendes Öffnen oder Schließen der Ventile verändert wird;
2. Regeln des Dampfstromes zur Turbine mittels Drosselventilen, die alle gleichzeitig verstellt werden, so daß die Turbinen- Ausgangsleistung durch Regeln der Stärke der Drosselung an den Ventilen verstellt wird;
3. Druckänderungsbetrieb, bei dem alle Ventile in einer festen Stellung gehalten werden und der Drossel- und Düsen eingangsdruck durch Ändern des Ausgangsdruckes des Dampf erzeugers verändert wird; und
4. Hybridbetrieb, bei dem die Verfahren 1) und 3) oder 2) und 3) in verschiedenen Bereichen der Turbinen-Ausgangsleistung kombiniert werden.

Jedes Verfahren hat seine Vorteile und Nachteile, wenn es bei kommerziellen Anlagen angewendet wird, und es hängt ihre An wendung teilweise von der Konstruktion des Dampferzeugers und der Dampfturbine ab.

Die obigen Arbeitsverfahren sind zwar anwendbar bei unterkritischen Anlagen, können aber nicht einfach in überkritischen An lagen benutzt werden, die von Dampfdrücken oberhalb des kritischen Dampfdruckes Gebrauch machen, der 225,62 bar beträgt. Dies ist teilweise auf Gesichtspunkte der Dampferzeuger-Konstruktion zurückzuführen. Bei subkritischen Anlagen wird ein Betrieb mit veränderlichem Druck durch Ändern der Befeuerung des Dampf erzeugers erzielt, die ihrerseits den Druck des an die Turbine gelieferten Dampfes ändert. Dieses Verfahren ist bei allen kritischen Arbeitsweisen nicht anwendbar, weil der Druck in den gewöhnlich in den Vereinigten Staaten verwendeten Dampferzeugern niemals unter den kritischen Druck abfallen darf, wenn der Dampferzeuger befeuert ist.

Aus der US 4,241,585 ist ein Verfahren zum Hochfahren eines Dampferzeugers und insbesondere ein Verfahren eines unter- oder überkritischen Durchlaufdampfer zeugers mit integrierten Wasserabscheidern und einer Gleichdruckfeuerungsanlage bekannt.

Um sowohl den Dampferzeuger als auch die Turbine schnell und materialschonend in den Betriebszustand hochzufahren, wird vorgeschlagen, zunächst den Dampf erzeuger soweit zu befeuern, daß ein Druck im Dampferzeuger von 253,2 bar erreicht wird, wobei die Speisewasserzufuhr bis auf 25% ihrer maximalen Leistung ange hoben wird. Sobald im Dampferzeuger der Arbeitsdruck von 253,2 bar erreicht ist, wird ein Trennventil soweit geöffnet, daß der Druck im Dampferzeuger auf 253,2 bar konstant gehalten wird.

Durch Öffnen der Trennventile baut sich am teilweise geöffneten Turbinenregelventil ein Druck auf und die Turbine wird angefahren. Die Erhöhung der Befeuerungsrate bewirkt, daß der Druck am Turbinenregelventil ebenfalls auf 253,2 bar ansteigt und die Turbinenausgangsleistung auf bis zu 60% erhöht wird.

Dabei wird die Dampftemperatur über eine Sprühstation derart geregelt, daß die Dampftemperatur langsam jedoch konstant ansteigt.

Eine Turbinenausgangsleistung von über 60% wird dadurch erreicht, daß unter Bei behaltung des Druckes das Turbinenregelventil weiter geöffnet wird, wobei die Be feuerungsrate und die Speisewasserzufuhr weiter gesteigert wird. Auch hier wird die Dampftemperatur durch die Sprühstation geregelt.

Dieses Verfahren wird zum Hochfahren eines Gleichdruckdampferzeugers und einer Turbine eingesetzt. Eine technische Lehre zur Senkung der Turbinenausgangs leistung wird nicht gegeben, so daß der Einsatz dieses Verfahrens im Dauerbetrieb zur Regelung der Turbinenausgangsleistung nicht einsetzbar ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ver ändern der Turbinen-Ausgangsleistung in einer Turbinenanlage mit überkritischem Dampferzeuger anzugeben, das in einem Teilbereich der Turbinen-Ausgangsleistung eine Regelung durch Druckveränderung umfaßt, wodurch (1) Temperaturände rungen und resultierende Wärmebelastungen, denen die Hochdruck turbine ausgesetzt ist, auf ein Minimum reduziert werden können und wodurch (2) der Wärmewirkungsgrad bei Betrieb unter niedriger Belastung verbessert werden kann. Der letzte Vorteil kann zu erheblichen Brennstoffeinsparungen beim Betrieb von Dampf kraftwerken führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verändern der Turbinen-Aus gangsleistung ist allgemein anwendbar bei einer Anlage, die einen Dampferzeuger zur Erzeugung von Dampf, eine Speisewasser pumpe zur Aufrechterhaltung eines Druckes im Dampferzeuger, der den kritischen Druck um einen vorgegebenen Betrag überschreitet, einen Überhitzer, ein Reduzier-Trennventil oder -anordnung, das bzw. die zwischen dem Dampferzeuger und dem Überhitzer ange ordnet ist, und ein der Turbine zugeordnetes Turbinen-Regelventil zum Regeln des Dampfeintrittes in die Turbine umfaßt. Die Arbeits schritte umfassen das Einstellen des Turbinen-Regelventils auf eine vorgegebene voll geöffnete Stellung, Halten des Trennventiles in einer voll geöffneten Stellung und Verändern der Förderrate der Speisewasserpumpe, um dadurch den Dampfdruck im Dampferzeuger innerhalb eines Bereiches zu verändern, dessen höchster Druck um einen vorgegebenen Betrag über dem kritischen Druck und dessen niedrigster Punkt nur etwas über dem kritischen Druck liegt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Turbinen-Regelventil bei etwa 85% der Nennleistung teilweise geöffnet und bei etwa 100% der Nennleistung voll geöffnet, um die Turbinenleistung im Bereich von 85% bis 100% der Nennleistung zu variieren. Die Variation der Leistung im Bereich von etwa 65% bis 85% der Nenn leistung wird durch Ändern der Förderleistung der Speisewasser pumpe zwischen dem Wert, bei dem sie Dampfdruck erzeugt, der den kritischen Druck um den vorbestimmten Betrag übersteigt, bei etwa 85% der Nennleistung bis zu dem Wert geändert, bei dem der Dampfdruck nur etwas über dem kritischen Druck bei etwa 65% der Nennleistung liegt. Die Turbinenleistung im Bereich von etwa 65% der Nennleistung bis hinab zu 0% Leistung wird durch Ver ändern der Öffnung des Trennventiles von der voll geöffneten Stellung bei etwa 65% der Nennleistung bis zur vollständig ge schlossenen Stellung bei 0% der Nennleistung erzielt.

Vorzugsweise sind die Komponenten zum Betrieb bei einem vorge gebenen Betrag des Druckes über dem kritischen Druck in solcher Weise ausgelegt, daß die Veränderung der Turbinen-Ausgangsleistung infolge einer Variation des Druckes der Speisewasserpumpe zwischen dem genannten vorgegebenen Druck bis hinab zu einem ausreichend über dem kritischen Druck liegenden Druck erfolgen kann. Was ein ausreichend über dem kritischen Druck liegender Druck ist wird durch die Konstruktion des Dampferzeugers be stimmt.

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm einer typischen überkritischen Dampf kraftanlage, bei der ein Verfahren zur Variation der Turbinen- Ausgangsleistung nach der Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Änderung des Drosseldruckes am Turbinen-Regelventil als Funktion der Turbinen-Ausgangsleistung wiedergibt, wenn ein Arbeitszyklus nach der Erfindung im Vergleich zu einem üblichen Arbeitszyklus verwendet wird;

Fig. 3a, 3b und 3c sind Diagramme, welche die Hauptdampftempe raturen als Funktion der Turbinen-Ausgangsleistung in einer An lage der in Fig. 1 dargestellten Art wiedergeben, die von einem Arbeitszyklus nach der Erfindung im Vergleich zu einem üblichen Arbeitszyklus Gebrauch macht;

Fig. 4a und 4b Diagramme, welche die Temperaturen am Einlaß und Auslaß der Hochdruck-Turbine als Funktion der Turbinen-Ausgangs leistung eine Anlage der in Fig. 1 dargestellten Art wieder geben, die von einem Arbeitszyklus nach der Erfindung im Ver gleich zu einem üblichen Arbeitszyklus Gebrauch macht; und

Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Netto-Wärmewirkungsgrad als Funktion der Turbinen-Ausgangsleistung beim Betrieb in einem Arbeitszyklus nach der Erfindung im Vergleich zu einem üblichen Arbeitszyklus veranschaulicht.

Fig. 1 veranschaulicht ein Flußdiagramm einer typischen über kritischen Dampferzeuger-Turbinen-Anlage. Wie dargestellt, wird Dampf in dem Dampferzeuger erzeugt und dann durch ein oder mehrere Trennventile und danach durch einen Überhitzer geleitet. Der Dampf gelangt dann durch eine Leitung zu einem Turbinen-Regel ventil, das den Eintritt des Dampfes in die erste Stufe einer Hochdruckturbine steuert. Obwohl nur ein Turbinen-Regelventil gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Turbinen-Regelventilen benutzt werden, wie es vorstehend für das Verfahren (1) in bezug auf eine unterkritische Anlage erläutert worden ist.

Der Dampf gelangt dann von der Hochdruckturbine durch einen ersten Zwischenüberhitzer in eine erste Mitteldruckturbine. Der Dampf kann dann von der ersten Mitteldruckturbine durch einen zweiten Zwischenüberhitzer an den Eingang einer zweiten Mittel druckturbine und dann zu einer Niederdruckturbine gelangen. Die Hochdruckturbine, die erste Mitteldruckturbine sowie die zweite Mitteldruck- und die Niederdruckturbinen sind alle mit einem oder mit zwei elektrischen Generatoren verbunden, je nach der Art des Verbundes der Turbinen. Die Verwendung eines zweiten Zwischenüberhitzers ist wahlweise und es könnte bei Bedarf der Dampf unmittelbar von der ersten Mitteldruckturbine zur Nieder druckturbine strömen.

Der Dampf gelangt von der Niederdruckturbine zu einem Dampfkon densator. Das in dem Kondensator gebildete Kondensat wird mittels einer Kondensatpumpe durch Niederdruck-Kondensaterhitzer zur Eingangsseite einer Speisewasserpumpe gefördert. Die Speisewasser pumpe fördert dann Speisewasser durch Hochdruck-Speisewasser erhitzer und in den Dampferzeuger. Die Speisewasserpumpe hält zwischen der Pumpe und dem Trennventil einen Druck aufrecht, der um einen vorbestimmten Betrag über dem kritischen Dampfdruck liegt. Wenn das Trennventil voll geöffnet ist, setzt sich der vorgegebene Druck auch bis zum Turbinen-Regelventil fort.

Das Verfahren zum Betrieb der in Fig. 1 veranschaulichten Anlage ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wie folgt. Die Regelung der Ausgangsleistung der Hochdruckturbine im Be reich von 85% bis 100% der Nennleistung erfolgt durch Variation der Öffnung des Turbinen-Regelventils zwischen der voll geöff neten Stellung (100% Nennleistung) und einer teilweise geöff neten Stellung (85% Nennleistung).

Um die Ausgangsleistung der Turbine im Bereich von etwa 65% und 85% der Nennleistung zu variieren, wird das Turbinen-Regel ventil bis zu einer vorgegebenen Stellung teilweise geöffnet und das Trennventil völlig offen gehalten. Der Druck innerhalb des Dampferzeugers und am Turbinen-Regelventil wird dann durch Ändern des Förderdruckes der Speisewasserpumpe in solcher Weise variiert, daß der Druck am Regelventil zwischen einem vorge gebenen Betrag über dem kritischen Druck bis hinab zu einem nur wenig über dem kritischen Druck liegenden Wert geändert wird.

Ein Merkmal des Arbeitsverfahrens besteht darin, daß ein Teil des Variationsbereiches der Turbinen-Ausgangsleistung durch Variation der Förderleistung der Speisewasserpumpe in solcher Weise erzielt wird, daß der erzeugte Dampfdruck zwischen einem vorbestimmten Betrag über dem kritischen Druck und einem den kritischen Druck nur wenig übersteigenden Wert verändert wird.

Bezugnehmend auf Fig. 2 veranschaulicht das darin dargestellte Diagramm die Turbinen-Ausgangsleistung als Funktion des Druckes bei Anwendung eines üblichen Regelzyklus im Vergleich zu dem Regelzyklus nach einer Ausführungsform der Erfindung, der der Einfachheit halber als Dolan-Zyklus bezeichnet ist. Der genannte übliche Regelzyklus ist einer, bei dem das Turbinen-Regelventil einem konstanten Druck über dem kritischen Druck ausgesetzt ist und die Ausgangsleistung durch Einstellen der Öffnung des Tur binen-Regelventiles oder solcher Regelventile verändert wird. Die Regelung der Turbinen-Ausgangsleistung im Bereich von 100% bis 85% erfolgt auf die gleiche Weise wie beim üblichen Zyklus, nämlich durch Verändern der Öffnung des Turbinen-Regelventils mit dem Ergebnis, daß der Drosseldruck für beide Zyklen überkritisch bleibt und der Druck des Dampferzeugers in beiden Fällen der gleiche ist.

Wie für den Dolan-Zyklus veranschaulicht, wird die Turbinen- Ausgangsleistung von etwa 85% der Nennleistung bis etwa 65% der Nennleistung durch Reduzieren des Drosseldruckes von dem normalen Vollastdruck bis hinab zu einem etwas über dem kritischen Druck liegenden Wert reduziert. Wie vorher erläutert, wird dieses durch Verändern des Förderdruckes der Speisewasser pumpe erzielt, um dadurch den Druck des Dampferzeugers zu ver mindern. Die Turbinen-Ausgangsleistung wird auf Werte unter 65% reduziert, indem das Trennventil geschlossen wird, wodurch, wie dargestellt, der Drosseldruck weiter bis unter den kritischen Druck reduziert wird, während der Druck des Dampferzeugers leicht über dem kritischen Druck gehalten werden kann.

Der Vorteil des Dolan-Zyklus im Vergleich mit einem üblichen Zyklus ist in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Während die Temperaturänderungen des Dolan-Zyklus im Vergleich mit einem üblichen Zyklus hinsichtlich der Temperatur des Dampfes, der in die Turbinen bei unterschiedlichen Turbinen-Ausgangsleistungen eintritt, unbedeutend erscheinen mag (Fig. 3a, 3b und 3c), hat die Anwendung des Dolan-Zyklus eine geringere Temperaturänderung in der Hochdruckturbine über einem weiteren Lastbereich zur Folge als bei Verwendung eines üblichen Zyklus, wie es die Fig. 4a und 4b zeigen. Dies ist von Bedeutung, da die thermischen Beanspruchungen der Turbine reduziert werden.

Die höhere Hauptdampftemperatur über große Lastbereiche ver bessert die Wärmelastrate der Teile (thermischer Wirkungsgrad) der Installation.

Fig. 5 veranschaulicht den verbesserten Wirkungsgrad bei Ver wendung des Dolan-Zyklus des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu üblichen Arbeitszyklen. Wie gezeigt, hat der Dolan- Zyklus im Bereich der Ausgangsleistungen von 85% bis hinab zu etwa 20% einen besseren Wärmewirkungsgrad als der übliche Zyklus mit einer drosselgesteuerten Turbine unter Verwendung eines konstanten Druckes am Turbinen-Regelventil, dessen Öffnung ge ändert wird.

Claims

1. Verfahren zum Verändern der Turbinen-Ausgangsleistung einer mit einer Hochdruckturbine ausgestatteten Dampf kraftanlage mit einer Speisewasserpumpe, wenigstens einem zwischen einem der Hochdruckturbine vorgeschalteten Dampferzeuger und einem nachfolgenden Überhitzer ange ordneten steuerbaren Trennventil und wenigstens einem zwischen dem Überhitzer und der Hochdruckturbine ange ordneten, die Dampfzufuhr zur Hochdruckturbine regelnden Turbinen-Regelventil, dadurch gekennzeichnet, daß
bei vollständig geöffnetem Trennventil und bei einer vorgegebenen, teilgeöffneten Stellung des Turbinen-Regelventils zum Verändern der Turbinenausgangsleistung die Förderleistung der Speisewasserpumpe verändert wird, um den Druck im Dampferzeuger und damit den Druck am Turbinen-Regelventil so zu regeln, daß er immer über dem kritischen Druck liegt, jedoch einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, und daß
bei einem dem vorgegebenen Wert entsprechenden Druck höhere Turbinenleistungen durch weiteres Öffnen des Turbinen-Regelventils eingestellt werden.

2. Verfahren zum Verändern der Turbinen-Ausgangsleistung nach Anspruch 1, zwischen etwa 65% und 100% der Nennleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Speise wasserpumpe derart eingestellt wird, daß der Druck im Dampferzeuger bei etwa 85% der Nennleistung den vorge gebenen Betrag erreicht und bei 65% der Nennleistung etwas über dem kritischen Druck liegt, und daß das Turbinen- Regelventil zwischen der vorgegebenen Öffnung bei 85% der Nennleistung und der vollen Öffnung bei 100% der Nenn leistung verstellt wird.

3. Verfahren zum Verändern der Turbinen-Ausgangsleistung nach Anspruch 2, zwischen etwa 0% und 65% der Nennleistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennventil zwischen voller Öffnung bei etwa 65% der Nennleistung und vollständigem Schließen bei 0% der Nennleistung verstellt wird.