Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk mit einem Kessel, einer Dampfturbine,
einem Kondensator und einer Bypass-Leitung, welche die Dampfturbine umgeht,
indem sie vom Kessel direkt zum Kondensator führt. Sie betrifft insbesondere eine
Dampfeinführungsvorrichtung zwischen der Bypass-Leitung und dem Kondensator
und die erste von zwei Dampfdurchtrittsblenden in dieser
Dampfeinführungsvorrichtung.
Stand der Technik
Beim Anfahren und Abfahren einer Dampfkraftwerksanlage sowie beim
Dampfturbinenlastabwurf infolge eines Abschaltens der Anlage wird der Dampf vom
Kessel nicht zur Dampfturbine geführt, da er zuviel Wasser enthält und dadurch die
Beschaufelung der Turbine beschädigen würde. Stattdessen wird der Dampf vom
Kessel durch eine Bypass-Leitung und eine Dampfeinführungsvorrichtung direkt in
den Kondensator geführt. Die Dampfeinführungsvorrichtung dient der Entspannung
und Enthitzung des Dampfes bevor er in den Kondensator zur Kondensation
gelangt. Der über die Bypass-Leitung heranströmende Dampf besitzt zum einen eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit, zum anderen eine Temperatur von bis zu 600°C.
Die im Kondensator herrschende Temperatur hingegen beträgt um die 40°C. Es gilt
also die Temperatur des Dampfes sowie auch die Geschwindigkeit stark zu senken.
Dies bedeutet auch, dass die Bauteile der Dampfeinführungsvorrichtung einem
grossen Temperaturgradienten ausgesetzt sind.
Gemäss der Druckschrift Nr. CH-T 080 273 der Brown Boveri Companie ist einem
Bypass-Regelventil eine zwei-stufige Dampfeinführungsvorrichtung nachgeschaltet,
die im Kondensator angeordnet ist. Die erste Stufe der Dampfeinführungsvorrichtung
besteht aus einer Dampfdurchtrittsblende, einer Lochblende in der Form eines
Kegelstumpfes, durch die der heisse Dampfstrom versprüht und aufgefächert wird.
Nach der Lochblende gelangt er in eine Entspannungs- oder Enthitzungskammer.
Hier wird er durch kühles Kondensat enthitzt, das von mehreren Düsen in den
aufgefächerten Dampfstrom versprüht wird. In der zweiten Stufe der
Dampfeinführungsvorrichtung strömt der Dampf durch eine zweite Lochblende,
durch die der Dampf im Kondensatorhals und über den Kühlrohren des
Kondensators verteilt wird.
Eine Lochblende der ersten Stufe der Dampfeinführungsvorrichtung ist aus
mehreren ebenen Bauteilen fertiggestellt, nämlich einem Teil für den Mantel des
Kegelstumpfes, einem Abschlussteil für die Spitze des Kegels und einem
Übergangsteil für die Verbindung mit dem Ende der Bypass-Leitung. Die Öffnungen
der Lochblende werden in das noch ebene Teil des Kegelmantels gebohrt, das
danach in einen Kegel warmumformt und zusammengeschweisst wird. Das
Abschlussteil für die Spitze des Kegels wird sodann mit dem Kegelstumpf und das
Übergangsteil mit dem Ende der Bypass-Leitung verschweisst.
Um eine genügende mechanische Stabilität des Kegels mit einer Vielzahl von
Bohröffnungen zu erzielen, sind relativ grosse Wanddicken notwendig. Je grösser
die Wanddicke, desto grösser auch die thermischen Spannungen. Wie erwähnt ist
diese Lochblende einem sehr grossen Temperaturgradienten ausgesetzt. Im Einsatz
führt also der erhebliche Temperaturgradient von einer zur anderen Seite der
Lochblende bei grosse Wanddicken zu entsprechend grossen thermischen
Spannungen, woraus sich Risse im Material bilden können. Auch beim Prozess der
Warmumformung können sich bereits kleine Risse bilden, die sich später während
des Betriebs vergrössern und schliesslich zu einem Materialbruch führen können.
Durch eine solche Riss- oder Bruchanfälligkeit ist die Betriebssicherheit der
Kraftwerksanlage beeinträchtigt, denn ein Schaden an der Lochblende kann nur
durch eine Reparatur unter Abschalten der gesamten Anlage behoben werden.
Weiter ist die kostenaufwendige Herstellung der Lochblende nachteilig. Einerseits
erfordert die Fertigung der mehreren Einzelteile sowie die Schweissarbeit bei ihrem
Zusammenbau einen grossen Fabrikations- und Kostenaufwand. Anderseits wird bei
der Umformung in den Kegel die Geometrie der gebohrten Öffnungen verzerrt,
sodass gegebenenfalls die Öffnungen nachbearbeitet werden müssen.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Lochblende für eine
Dampfeinführungsvorrichtung in der Bypass-Leitung einer Dampfkraftwerksanlage
zu schaffen, die im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik durch eine
verbesserte thermische Standfestigkeit eine erhöhte Betriebssicherheit besitzt und
einen geringeren Fabrikations- und Kostenaufwand erfordert.
Die Aufgabe wird durch eine Dampfeinführungsvorrichtung gemäss dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs gelöst, deren Lochblende aus einem einzigen kugelförmigen
Teil besteht.
Der Hauptvorteil einer Lochblende dieser Art liegt in der erhöhten mechanischen
Stabilität und thermischen Belastbarkeit der Lochblende und der damit erreichten
Betriebssicherheit der Dampfeinführungsvorrichtung. Dadurch ist auch die
Betriebssicherheit der gesamten Kraftwerksanlage erhöht, da eine längere
Betriebszeit der Vorrichtung ohne Reparaturen gewährleistet ist.
Im Vergleich zu einer Kegelform ist eine Kugelform an sich mechanisch stabiler. Die
gewählte Form der Blende gewährt also im Vergleich zum Stand der Technik eine
erhöhte mechanische Stabilität. Aufgrund dieser erhöhten formbedingten Stabilität
besitzt die erfindungsgemässe Blende eine kleinere Wanddicke als die kegelförmige,
wobei die für die Blende erforderliche Stabilität dennoch gewährleistet ist. Eine
kleinere Wanddicke erbringt weiter den Vorteil, dass die durch den
Temperaturgradienten hervorgerufenen thermischen Spannungen im Material kleiner
sind. Dadurch ist die thermische Belastbarkeit wesentlich erhöht und die
Bruchanfälligkeit der Blende verringert.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Öffnungen der Lochblende derart
angeordnet, dass jede Öffnung zu jeder nächstliegenden Öffnung äquidistant ist.
Dies bewirkt ebenfalls eine gleichmässige Materialstärke und thermische
Standfestigkeit der Blende.
Die einteilige, kugelförmige Blende wird durch einen Pressvorgang hergestellt. Nach
Erreichen der gewünschten Form wird das Werkstück nachgeglüht und kontrolliert
abgekühlt und entspannt. Das Endprodukt weist durch diese Fertigungsmethode
minimale Materialspannungen auf, wodurch die thermische Belastbarkeit der Blende
im Betrieb begünstigt wird.
Ein zweiter Vorteil liegt in der Kostenreduktion für die Fabrikation der Lochblende.
Dies wird in erster Linie durch die Reduktion der Anzahl Teile auf ein einziges Teil
und der Anzahl der Bearbeitungsschritte erzielt. Zur Fertigung der Blende ist nur ein
Pressvorgang notwendig, und es sind keine Schweissvorgänge mehr erforderlich. Es
entfällt die separate Fertigung und Montage eines Abschlussteils, wie es bei der
kegelförmigen Lochblende der Fall war, und insbesondere auch eines
Übergangsstücks zwischen der Lochblende und dem Ende der Bypass-Leitung. Die
kugelförmige Lochblende weist einen geraden Bord auf, dessen Durchmesser dem
Durchmesser der Bypass-Leitung angepasst ist. Bei der Montage wird die
Lochblende ohne die Hilfe eines separat gefertigten Übergangsstückes direkt auf
das Ende der Bypass-Leitung aufgeschweisst.
Schliesslich wird das Bohren der Öffnungen in der Lochblende nach dem
Pressvorgang der Blende mittels NC-Maschine vorgenommen. Eine
Nachbearbeitung der Öffnungen wie im Stand der Technik ist nicht mehr erforderlich,
wodurch weiterer Fabrikationsaufwand eingespart wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 ein Bypass-Leitung mit einer Dampfeinführungsvorrichtung und einem
Kondensator verbunden, Figur 2 die erfindungsgemässe Lochblende der Dampfeinführungsvorrichtung im
Detail, Figur 3 eine Vorderansicht der Lochgeometrie der erfindungsgemässen Lochblende.
Weg der Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer Dampfeinführungsvorrichtung 1 in einer
Dampfkraftwerksanlage. Eine Bypass-Leitung 2 führt von einem nicht dargestellten
Kessel der Anlage zur Dampfeinführungsvorrichtung 1. Diese ist mit dem
Kondensator 9 verbunden, wobei sie in den Kondensatorhals 7 des Kondensators 9
hereinragt. Während des An- oder Abfahrens oder eines kurzfristigen Abschaltens
der Kraftwerksanlage wird gemäss der Pfeilrichtung heisser Dampf vom Kessel mit
einer Temperatur von über 500 °C durch die Bypass-Leitung 2 geleitet, worauf er auf
eine erste Lochblende 3 der Dampfeinführungsvorrichtung trifft. Der Dampf gelangt
durch Öffnungen in der Lochblende 3 und wird dadurch aufgefächert. Die
Lochblende bezweckt, den Dampfstrom so stark wie möglich aufzuweiten, sodass er
die nachfolgende Enthitzungskammer 4 möglichst ausfüllt. In der
Enthitzungskammer 4 sind mehrere Düsen 6 angeordnet, die kühles Kondensat in
Form von Wassertropfen in die Kammer einspritzen. Hier wird der Dampf durch
Vermischung mit dem Wasser enthitzt. Zusätzlich zur Abkühlung wird der Dampf in
der Kammer durch Verwirbelungen entspannt. Am Ende der Enthitzungskammer 4
gelangt der Dampf durch die Öffnungen 8' einer zweiten Lochblende 8. Diese zweite
Lochblende 8 ist halbzylindrisch geformt, wobei der Zylinder in die Ebene der
Zeichnung hereinragt sowie aus der Ebene der Zeichnung herausragt. Die
Lochblende 8 bewirkt eine regelmässige Verteilung des abgekühlten Dampfes in
einer Ebene im Kondensatorhals 7 über den Rohrbündeln 10. Aus dieser Ebene wird
der Dampf in den Kondensator 9 hineingesaugt und an den Kühlrohren in den
Rohrbündeln 10 kondensiert.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemässe erste Lochblende 3 im Detail. Die Lochblende 3
hat in dieser Ausführung die Form eines Korbbogenbodens. Diese Form ist zum
Beispiel auch unter der Deutschen Industrienormnummer 28013 bekannt. Sie
zeichnet sich insbesondere durch den kugelförmigen Mittelteil, wodurch die Blende
eine erhöhte mechanische Stabilität besitzt. Sie ist deshalb mit dünneren Wänden
ausgeführt und besitzt dennoch die notwendige Stabilität. Der Korbbogenboden mit
dem geraden Bord wird in einem einzigen Pressvorgang hergestellt. Die Öffnungen
12 werden nach dem Pressvorgang mittels einer programmierbaren, auf fünf Achsen
arbeitenden Bohrmaschine (NC-Maschine) gebohrt. Mit dieser Bearbeitungsweise
wird erreicht, dass die Achsen der Öffnungen 12 sich jeweils im gleichen Mittelpunkt
schneiden. Durch diese Orientierung der Öffnungen 12 wird eine gleichmässigere
Auffächerung des Dampfstroms bewirkt. Der gerade geformte Bord des
Korbbogenbodens wird direkt auf das Ende der Bypass-Leitung 2 aufgeschweisst.
Die Anordnung der Bohröffnungen 12 der erfindungsgemässen Lochblende 3 ist in
Figur 3 gezeigt. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Distanz zwischen
benachbarten Öffnungen 12 jeweils gleich ist. Dadurch wird die mechanische
Stabilität über die gesamte Fläche der Blende begünstigt. Die Koordinaten der
Öffnungen werden dabei gemäss der Krümmung des Korbbogenbodens und der
erforderlichen Durchmesser der Öffnungen berechnet und direkt der NC-Maschine
für die Fertigung zugeführt.
Durch die Kugelform der Lochblende ragt die Lochblende weniger weit in die
Enthitzungskammer als eine kegelförmige Lochblende. Dies hat den Vorteil, dass
Wassertropfen, die nach Abschalten der Kondensatdüsen 6 in der Kondensatleitung
sich befinden und in die Enthitzungskammer fallen, nicht auf die heisse Lochblende
gelangen. Solche Tropfen würden sonst einen lokalen Thermoschock und
möglicherweise eine daraus resultierende Erosion der Blende verursachen.
Bezugszeichenliste
- 1
- Dampfeinführungsvorrichtung
- 2
- Bypass-Leitung
- 3
- kugelförmige Lochblende
- 4
- Enthitzungskammer
- 5
- Kondensatzufuhdeitung
- 6
- Düse
- 7
- Kondensatorhals
- 8
- zweite Lochblende
- 8'
- Öffnungen
- 9
- Kondensator
- 10
- Kühlrohrbündel
- 11
- Wand der Enthitzungskammer
- 12
- Öffnungen
- 13
- Bord
- 14
- Verbindungsstelle