DE607462C - Verfahren zum selbsttaetigen Anlassen von Dampfturbinenanlagen - Google Patents

Description

Im praktischen Betrieb ist es häufig von großem Wert, Dampfturbinen schnell und sicher anfahren zu können. Da zwischen Stillstand und Leistungsabgabe einer Dampfturbine eine — 5 große Anzahl verschiedener Betriebsvorgänge liegt und da außerdem die Turbine beim Anfahren starken Beanspruchungen, z. B. infolge der Erwärmung vom kalten zum Betriebszustand, ausgesetzt ist, ist dieses Ziel beim

ίο heutigen Stande der Technik nur unvollkommen zu erreichen. Es ist ferner zu berücksichtigen, daß besonders bei größeren Turbinen mehrere Personen beim Hochfahren zur Bedienung benötigt werden. Dabei besteht immer die Gefahr, daß infolge eines Bedienungsfehlers oder eines Mißverständnisses bei der Befehlsübermittlung Fehlschaltungen vorkommen. Außerdem erfordert die Übermittlung und Ausführung der Befehle immer eine gewisse Zeit. Im Vergleich zu den Anlaßvorgängen anderer Maschinen von ähnlicher Wichtigkeit muß man die heutige Art und Weise des Anlassens der Dampfturbinen als schwerfällig bezeichnen.

Gemäß der Erfindung werden nun die Dampfturbinen in der Weise selbsttätig angelassen, daß das Öffnen der Dampfzufuhr in seinem ganzen Verlauf dadurch in Abhängigkeit von den die Beanspruchung der Turbine während des Anlassens kennzeichnenden Betriebszuständen (wie Temperatur oder Drehzahl der Turbine, Vakuumzustand des Kondensators oder Axialspiel der Turbinenwelle) selbsttätig gesteuert wird, daß nach Betätigung eines Primärorgans, welches das Steuerorgan der zuerst in Betrieb zu setzenden Hilfseinrichtungen der Turbinenanlage (Ventile bzw. Schalter zum Ingangsetzen der Kondensator-, Hilfsöl- und Hauptölpumpen oder zum Steuern des Stopfbuchsendampfes usw.) schaltet, jeweils der durch die Wirkung einer dieser Hilfseinrichtungen geschaffene Betriebszustand der Turbine durch einen unmittelbaren Impuls das Steuerorgan der nächstfolgenden in Betrieb zu setzenden Hilfseinrichtung schaltet. Dabei ist es vorteilhaft, das Primärorgan auch von Hand beeinflüssen zu können, um immer die Möglichkeit einer 'Überwachung der selbsttätigen Anlaßvorrichtung oder- auch einer willkürlichen Inbetriebnahme der Turbine zu besitzen.

Beim selbsttätigen Anlassen von Dampf- ^₀ turbinen stellen sich verschiedene Schwierigkeiten ein, welche eine Gesetzmäßigkeit verlangen und welche eine Folge davon sind, daß Dampfturbinen mit hohen Drücken, hohen Temperaturen und hohen Umlaufzahlen arbeiten. Diese drei Größen sind maßgebend für die Ausnutzung der Baustoffe. Beispielsweise ist das geringe Schaufelspiel bei Dampfturbinen die Folge der angewandten hohen Drücke oder zwingen Druck und Temperatur sowie Anlage- Q₀ kosten, mit der Baustoffbeanspruchung in den Gehäusen bis an die höchstzulässige Grenze zu gehen, so daß durch ungleichmäßiges Erwärmen während des Anfahrens Beschädigungen z. B. infolge verschiedener Wärmeausdehnung oder gg infolge unzulässiger Zusatzbeanspruchung hervorgerufen werden können.

Infolgedessen treten bei dem oben angegebenen selbsttätigen Verfahren zum Anlassen von Dampfturbinen neuartige Aufgaben für die Ab-

wicklung eines Anlaufvorganges in Erscheinung. So muß z. B. der Anlaüfvorgang der Turbine in einer solchen Gesetzmäßigkeit gesteuert werden, daß den einzelnen Phasen des Anlaufs ein bestimmter Temperaturzustand zugeordnet wird, oder es muß beispielsweise bei einer Kondensationsturbine der Anlaufzustand in einem bestimmten Verhältnis zum Vakuumzustand gesteuert werden. Ferner muß z.B. eine ähnliche ίο Beziehung zwischen der Sperrdampfmenge für die Stopfbuchsen und dem Vakuumzustand herrschen.

Was z. B. die Überwachung des Temperaturzustandes anbetrifft, so besteht die Möglichkeit, die Wärmeausdehnung von Teilen der Turbine zu messen und hiernach den Anlaufvorgang.zu . steuern. So kann man z.B. mittels eines Axialspielanzeigers, der die "relative Ausdehnung zwischen umlaufenden und feststehenden Teilen mißt, das Anfahrventil derartig steuern, daß die Öffnung des Dampfventils so schnell erfolgt, daß das Axialspiel einen bestimmten Wert nicht unterschreitet. Beträgt das Axialspiel bei einer Dampfturbine z. B. im gleichmäßig durchwärmten Betriebszustand 4 mm, so muß der Anlaufvorgang aus Betriebssicherheitsgründen so gesteuert werden, daß es den Wert von 2 mm nicht unterschreitet.

Die Überwachung des Vakuumzustandes der Turbine während des Anfahrvorganges kann deshalb von Wichtigkeit sein, weil trotz unveränderter Stellung des Anfahrventils bei Zunahme des Vakuums eine erhebliche Erhöhung der Drehzahl eintritt. Dies ist z. B. bei denjenigen Turbinen nicht erwünscht, deren kritische Drehzahl unterhalb der Betriebsdrehzahl liegt, so daß die Möglichkeit besteht, daß die Turbine durch die geschilderten Vorgänge unerwünscht lange in diesem gefährlichen Betrieb bleibt. Die Steuerung selbst kann in der Weise erfolgen, daß mit Steigerung des Vakuums eine Begrenzung der Frischdampfzufuhr erfolgt. Es genügt praktisch in vielen Fällen, bei Überschreitung eines bestimmten Vakuumzustandes begrenzend einzugreifen.

Dabei ist es nicht erforderlich, die Dampfzufuhr zur Turbine forgesetzt durch die Messung der Betriebsdaten zu beeinflussen, vielmehr genügt es praktisch in vielen Fällen, daß die Steuerung des betriebsmäßigen Öffnens der Dampfzufuhr in ihrem ganzen Verlauf selbsttätig von einem Zentralorgan (Schaltwalze, Kurvenscheibe o. dgl.) bewirkt wird, auf dem die während des Anlassens zu erwartenden Änderungen der Betriebszustände erfahrungsgemäß festgelegt sind, während die Betriebszustände selbst nur bei Erreichen zugelassener Grenzwerte den Öffnungsvorgang der Dampfzufuhr beeinflussen.

Die praktische Ausführung einer solchen Steuerung kann in folgender Weise vorge-I nommen werden: Als Steuerventil wird ein von zwei Seiten unter Druck stehendes Ventil benutzt. Auf der einen Seite befindet sich ein Druck bestimmter Atmosphärenzahl, auf der anderen Seite wirkt der Öldruck einer durch die Welle der Turbine angetriebenen ölpumpe. Während auf der Seite des bestimmten Öldruckes eine planmäßige Steuerung vorgesehen ist, nimmt der Öldruck der von der Turbinenwelle selbst angetriebenen Ölpumpe mit der Drehzahl zu. Bei einem bestimmten Wert hält der Öldruck der von der Turbine angetriebenen Pumpe dem auf eine bestimmte Atmosphärenzahl eingestellten Druck das Gleichgewicht, und damit kommt der Öffnungsvorgang des Anlaßventils zum Stillstand.

Es soll nun beschrieben werden, wie eine Dampfturbine entsprechend der Erfindung selbsttätig angefahren werden kann. Zur Erläuterung dieser Beschreibung dient Abb. 1 der Zeichnung, in der eine Kondensationsdampfturbine mit Drehstromerzeuger schematisch dargestellt ist. Entsprechend dem in der Zeichnung gewählten Beispiel wird die Inbetriebsetzung wie folgt vor sich gehen: Der Anstoß zur Auslösung des Anlaßvorganges wird durch die Beeinflussung eines Primärorgans gegeben. In der Zeichnung ist dieses Organ durch eine elektrische Meßeinrichtung 1 dargestellt. Der Kontakt dieser Meßeinrichtung ist über zwei Klemmen α und b mit einer Stromquelle und mit den Klemmen α und 5 des Schaltschützes 2 verbunden. Bei Schließung des Kontaktes schaltet das Schütz ein und legt den Motor 3° an das Netz. Es ist angenommen, daß dieser Motor mit einer selbsttätigen Anlauf-. vorrichtung bekannter Ausführung ausgerüstet ist, daß er also bei Einschalten des Schützes selbsttätig anläuft. Der Motor 3° treibt einen aus Kondensatpumpe 3*, Kühlwasserpumpe 3° und Pumpe 3⁰ für den Strahlsauger 4 bestehenden Pumpensatz an, der beispielsweise selbstsaugend eingerichtet sein soll. Mit beendetem Anlauf des Motors 3° ist die ganze Kondensationsanlage in Betrieb. Das Vakuum im Kondensator 5 wird durch eine Meß vorrichtung 6 überwacht. Bei Erreichen eines bestimmten Vakuums schließt diese Vorrichtung einen Stromkreis c-d, wodurch der Einlaßschieber 7 der Turbine für die Hilfsölpumpe 8 geöffnet wird. Die Hilfsölpumpe beginnt also in die Lager der Hauptturbine zu fördern. Die Ausflußleitungen der Lager besitzen Mengenmesser 9, die auch mit Kontaktvorrichtungen ausgerüstet sind. Bei Erreichen einer bestimmten einstellbaren Fördermenge schließen sich diese Kontakte. Diese Mengenmesser werden nun über die Klemmen e und f mit einer Stromquelle und mit den Klemmen e und f der Schaltspule des Ventils 10 so verbunden, daß diese Spule bei Kontaktgabe sämtlicher Mengen-

messer erregt wird und das Ventil öffnet. Damit wirkt der Öldruck der Hilfsölpumpe 8 auf den Kraftkolben ii, der das Anfahrventil 12 öffnet. Die Turbine 13 erhält jetzt Dampf, da ja der normale Turbinenregler 19 bei Stillstand die Einlaßorgane 18 geöffnet hält, und läuft an. Sobald sich nun die Turbinenwelle zu drehen beginnt, läuft auch die Scheibe 14 mit dem Kontakt g um. Innerhalb der ersten Umdrehung wird der Kontakt g mit einem Gegenkontakt h in Berührung kommen und einen Stromkreis schließen, der den Magneten des Ventils 15 erregt und dieses öffnet. Damit erhalten die Außenstopfbuchsen der Turbine 13 Sperrdampf zum Abdichten des Turbineninnern gegen die Atmosphäre.

Das Ventil 12 wird durch den Kraftkolben mit einer beliebig einstellbaren oder steuerbaren Geschwindigkeit weiter geöffnet, bis die Turbine 13 auf ihre Betriebsdrehzahl kommt. Bevor sie in diese einläuft, beginnt bereits der Geschwindigkeitsregler 19 anzusprechen und die Einlaßventile 18 entsprechend dem Leerlaufbedarf einzustellen.

Gleichzeitig beginnt die auf der Turbinenwelle sitzende Hauptölpumpe 16 zu fördern. Im normalen Betriebe übersteigt der Förderdruck dieser Pumpe den der Hilfsölpumpe 8. Tritt dieser Fall bei Inbetriebnahme der Hauptölpumpe ein, so sperrt eine in der Verbindungsleitung liegende Rückschlagklappe 17 die Verbindung mit dieser. Diese Klappe erhält einen Kontakt, der bei = Schließen den Stromkreis des Schiebers 7 unterbricht. Der Schieber 7 schließt infolgedessen, und die Turbine der Hilfsölpumpe 8 kommt zum Stillstand.

Außer der Abhängigkeit der einzelnen Betriebsvorgänge von einer bestimmten zeitlichen Aufeinanderfolge ist es zweckmäßig, daß jeder einzelne Vorgang, nachdem er in richtiger Weise ausgeführt wurde, besonders" angezeigt wird. An der Überwachungsstelle kann dann der ganze Anlaßvorgang genau überwacht werden. Werden beispielsweise zu diesem Zweck besondere Signallampen verwendet, so kann außerdem noch_ beobachtet werden, ob und wo eine Störung in der Anlaßvorrichtung aufgetreten ist. Vielfach wird es aber vorteilhafter und betriebssicherer sein, besondere Störungsanzeiger vorzusehen, derart, daß ein nicht vorschriftsmäßiger Verlauf des Anlaßvorganges optisch oder akustisch besonders gemeldet wird. Dieses kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß • beispielsweise zwischen den einzelnen Vorgängen ein Zeitrelais zum Ansprechen gebracht wird, das nach dem Abfallen ein Zeichen gibt, wenn der zuletzt eingeleitete Vorgang noch nicht beendigt ist. Bei Störungen ist dann wieder zu unterscheiden zwischen solchen, die nur die Wiederholung des letzten Vorganges erforderlich machen, und solchen, die eine Unterbrechung des gesamten Anlaßvorganges bedingen. Die erwähnten Anzeigevorrichtungen bilden nicht Gegenstand der Erfindung.

Die weiteren Vorgänge, wie z. B. selbsttätiges Synchronisieren, Parallelschalten und Belasten des Steuerorgans, können in bekannter Weise an die beschriebenen Anfahrvorgänge angeschlossen werden.

Bei diesem Anlaßverfahren sind jeweils nur einfache Anlaß vorgänge angenommen worden. Es sind natürlich auch Abweichungen hiervon möglich, z. B. kann die Beeinflussung des Primärorgans auch von Hand erfolgen. Dies kann mit einfachen bekannten Mitteln, z. B. durch einen Drehschalter, der auf Hand- oder selbsttätigen'Betrieb umgeschaltet-werden kann, erreicht werden. Ferner kann beispielsweise der Kondensationspumpensatz an Stelle eines Elektromotors von einer Dampfturbine angetrieben werden. Dann muß zum selbsttätigen Beginn des Anlaßvorganges dieser Turbine eine Einrichtung vorgesehen werden, wie sie vorstehend beschrieben wurde.

Dieses eben beschriebene Anlaßverfahren kann in manchen Fällen, insbesondere bei einfachen Turbinen, ausreichen. Bei den meisten Maschinen ist es jedoch notwendig, das Hochfahren der Turbine selbst in besonderer Weise zu überwachen und durchzuführen. Wie in der Einleitung bereits erwähnt wurde, ist es z. B. notwendig, das Anlaßventil 12 in Abhängigkeit vom Wärmezustand der Turbine zu steuern. Dies kann beispielsweise durch die in Abb. 2 dargestellte Vorrichtung geschehen, welche auf der nachfolgenden Überlegung beruht.

Beim Anfahren werden bekanntlich die umlaufenden Teile, weil sie ganz vom Dampf umspült werden, rascher warm als die feststehenden Gehäuseteile. Man kann deshalb die verschieden starke Ausdehnung der umlaufenden Teile gegenüber den feststehenden Teilen benutzen, um den Wärmezustand der Turbine zu überwachen. Man erhält dabei auch ein Maß für die Größe der axialen Schaufelspitze.

Es ist daher der Unterschied in der Ausdehnung zwischen Läufer und Gehäuse zu messen. Zu diesem Zwecke dient die Vorrichtung nach Abb. 2 der Zeichnung. Auf der Turbinenwelle ι mit den Scheiben 2 läuft z. B. die Rolle 6. Diese befindet sich auf einem Hebel 7, der um den Gelenkpunkt 5 drehbar ist. Der Punkt 5 ist an dem Lager 3, das seinerseits mit dem Gehäuse der Turbine fest verbunden ist, angebracht. Das andere Ende des Hebels 7 schleift auf einer Kontaktbahn 9 mit verschiedenen Kontakten 10. Jeder Stellung des Hebels auf der Kontaktbahn entspricht eine bestimmte Stellung des Anfahrventils 12 in Abb. 1, das in diesem Falle natürlich elektrisch gesteuert werden müßte. Bei einer Anordnung nach Abb. ι hätte dann der Kolben 11 lediglich die

Aufgabe, das Anfahrventil 12 nur so weit zu öffnen, daß sich die Turbinenwelle zu drehen beginnt. In gleicher Weise kann man die Kontaktbahn 9 dazu benutzen, die Anfahrstellung des Ventils 12 in Abb. 1 lediglich zu überwachen,' so daß das Ventil 12 beim Erreichen eines bestimmten Kontaktes 10 sich nicht über eine zugehörige "Anfahrstellung hinaus öffnet. Die Steuerung des Anfahrventils 12 kann dabei in bekannter Weise, z.B. hydraulisch, erfolgen. An Stelle der Kontaktbahn 9 kann an dem Hebel 7 ein Steuerschieber angebracht werden, der z. B. den ölzufluß und ölabfluß zu dem Steuerkolben 11 des Anfahrventüs 12 in bekannter Weise beeinflußt.

Wie in der Einleitung fernerhin ausgeführt ist, ist es in manchen Fällen von Wichtigkeit, die Frischdampfzufuhr mit Steigerung des Vakuums zu begrenzen. In Abb. 3 ist eine Ausführungsmöglichkeit einer derartigen Einrichtung dargestellt. Ein Behälter 1 steht durch den Stutzen 2 mit dem Kondensator der Turbine in Verbindung. In dem Behälter 1 wird also der gleiche Unterdruck herrschen wie im Kondensator. Die Membran 3 bildet die elastische Zwischenwand zwischen dem unteren Teil des Behälters und dem oberen Teil, der unter Atmosphärendruck steht. Eine auf die Membran wirkende Feder 4 hält dem Außendruck gerade das Gleichgewicht, wenn im Kondensator der gewünschte Vakuumzustand vorhanden ist. Die Membran 3 ist durch ein Gestänge 5 mit dem Steuerventil 6 und dem Kraftkolben 7 der Turbine verbunden. Das Ventil 6 dient zur Steuerung des Druckölzuflusses zum Kraftkolben 7. Erfährt das Vakuum eine unzulässige Steigerung, so wird das Gleichgewicht zwischen Feder 4 und Atmosphärendruck gestört. Die Feder wird vom Atmosphärendruck zusammengedrückt, und dementsprechend wird sich die Membran 3 nach unten durchbiegen. Dieser Bewegung folgt das Gestänge 5. Im Steuerventil 6 wird dementsprechend die Öffnung freigegeben, die das Drucköl an die untere Seite des Kraftkolbens 7 gelangen läßt. Hierdurch wird der Kraftkolben nach oben gedrückt, die Dampfzufuhr wird also gedrosselt.

Die Abb. 4 und 5 der Zeichnung zeigen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen in Abweichung von den vorstehend beschriebenen die Steuerung des betriebsmäßigen Öffnens der Dampfzufuhr in ihrem ganzen Verlauf selbsttätig von einem Zentralorgan bewirkt wird, auf dem die während des Anlassens zu erwartenden Änderungen der Betriebszustände erfahrungsgemäß festgelegt sind, während die Betriebszustände selbst nur bei Erreichen zugelassener Grenzwerte den Öffnungsvorgang der Dampfzufuhr beeinflussen.

In Abb. 4 ist mit 1 eine Kurvenscheibe be-I zeichnet, deren Kurvenform durch Anlaßversuche festgelegt worden ist. Die Kurvenscheibe dient zur Verstellung des Steuerhebels 2, an den der Steuerschieber 3 angelenkt ist, welcher die Ölzufuhr zum Kraftkolben 4 des Dampfeintrittsventils steuert. Die Kurvenscheibe ι wird durch einen Elektromotor 5 angetrieben, der durch einen Wechselschalter 6 entweder über den Regelwiderstand 7 oder unmittelbar mit seiner Stromquelle verbunden ist. Der Regelwiderstand 7 wird nun durch die bereits beschriebene Temperaturüberwachungsvorrichtung gesteuert, die in der Zeichnung zum leichteren Verständnis angedeutet ist. Auf diese Weise wird der Sollwert der Turbinendrehzähl von den beiden Größen dauernd festgelegt, die für ein betriebssicheres Hochfahren wichtig sind. Jedes Abweichen der tatsächlichen Drehzahl von diesem Sollwert hat ein Eingreifen der Regelorgane zur Folge. Der Umschalter 6 gestattet in diesem Beispiel eine Überbrückung der Temperaturüberwachungsvorrichtung, da es unter Umständen erwünscht ist, den Einfluß dieser Einrichtung nicht dauernd zur Geltung zu bringen.

In Abb. 5 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Begrenzungsvorrichtung für die Drehzahlsteigerung dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus einem Ventil, das einen Kolben 1 besitzt, auf dessen einer Seite über die Zuflußöffnung 2 Drucköl wirkt. Der Druck dieses Öls ist schwankend, und zwar ist er von einer planmäßigen Steuerung in Abhängigkeit gebracht. Auf der anderen Seite des Kolbens drückt einmal die Feder 3, außerdem ist auf dieser Seite noch eine Öffnung 4 vorhanden, die an die Öldruckleitung der Hauptölleitung 16 (Abb. 1) angeschlossen ist. Mit zunehmender Drehzahl steigt der Druck des von dieser Pumpe geförderten Öls. Durch Versuche kann der jeder Drehzahl der Turbine entsprechende Druck der Hauptölpumpe festgelegt werden. Die Anordnung wirkt nun so, daß die beiden Drücke sich dauernd das Gleichgewicht halten müssen. Der Kolben bleibt also in Ruhe. Bei einem bestimmten Druck, der bei Erreichen der normalen Drehzahl auftritt, verschiebt sich der Kolben und öffnet oder drosselt das Anfahrventil.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum selbsttätigen Anlassen von Dampfturbinenanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen der Dampfzufuhr in-seinem ganzen Verlauf dadurch in Abhängigkeit von den die Beanspruchung der Turbine während des Anlassens kennzeichnenden Betriebszuständen (wie Temperatur oder Drehzahl der Turbine, Vakuumzustand des Kondensators oder Axialspiel der Turbinenwelle) selbsttätig derart gesteuert wird, daß nach Betätigung eines

   Primärorgans, welches das Steuerorgan der zuerst in Betrieb zu setzenden Hilfseinrichtungen der Turbinenanlage (Ventile bzw. Schalter zum Ingangsetzen der Kondensator-, Hilfsöl- und Hauptölpumpen oder zum Steuern des Stopfbuchsendampfes usw.) schaltet, jeweils der durch die Wirkung «iner dieser Hilfseinrichtungen geschaffene Betriebszustand der Turbine durch einen unmittelbaren Impuls das Steuerorgan der nächstfolgenden in Betrieb zu setzenden Hilfseinrichtung schaltet.
2. 2. Verfahren zum selbsttätigen Anlassen von Dampfturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des betriebsmäßigen Öffnens der Dampfzufuhr in ihrem ganzen Verlauf selbsttätig von einem Zentralorgan (Kurvenscheibe, Schaltwalze o. dgl.) bewirkt wird, auf dem die während des Anlassens zu erwartenden Änderungen der Betriebszustände (Anspruch 1) erfahrungsgemäß festgelegt sind, während die Betriebszustände selbst nur bei Erreichen zugelassener Grenzwerte den Öffnungsvorgang der Dampfzufuhr beeinflussen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsvorgang der Dampfzufuhr beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl, die unter der synchronen liegt, zum Stillstand gebracht oder zurückgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stillsetzung oder Rückführung des Öffnungsvorganges durch die Zunahme des Förderdruckes der mit der Turbine gekuppelten ölpumpe bewirkt wird

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen