EP1190160A1

EP1190160A1 - Bauteil und verfahren zur führung eines heissen und unter hohem druck stehenden mediums

Info

Publication number: EP1190160A1
Application number: EP00940412A
Authority: EP
Inventors: Detlef Haje
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2002-03-27
Also published as: WO2001002702A1; JP2003503635A; CN1365422A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Führung eines unter einem Heißdruck stehenden heißen Heißmediums (50). Ein Kalt bereich (56) des Bauteils umgibt einen Heißbereich (54), in dem das Heißmedium (50) geführt wird. Im Kaltbereich (56) wird ein Kaltmedium (61) unter mindestens dem halben Druck, vorzugsweise dem gleichen oder höherem Druck, als der Heiß druck geführt. Damit ergibt sich eine Entlastung einer den Kaltbereich (56) vom Heißbereich (54) trennenden Trennwand (58) und somit insgesamt eine Ausführbarkeit des Bauteils mit vergleichsweise geringen Wandstärken.

Description

Beschreibung

Bauteil und Verfahren zur Führung eines heißen und unter ho^¬ hem Druck stehenden Mediums

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, welches zur Führung eines unter einem Heißdruck stehenden, eine Heißtemperatur aufwei^¬ senden Heißmediums ausgelegt ist, sowie ein entsprechendes Verfahren.

In Karl Strauß, Kraftwerkstechnik, dritte Auflage, Springer Verlag Berlin 1997, ist auf Seite 303 in Abb. 12.2 eine Dampfturbinenanlage eines Kraftwerks zur Energieerzeugung beschrieben. Mittels einer Speisepumpe wird Speisewasser einem Verdampfer zugeführt. Der dort erzeugte Dampf wird in einem Abscheidegefäß von Wasser getrennt und einer Hochdruckdampfturbine zugeführt. Der aus der Hochdruckdampfturbine austretende Dampf wird in einem Zwischenüberhitzer erneut erhitzt und einer Mitteldruckdampfturbine zugeführt. Der aus der Mit- teldruckdampfturbine austretende Dampf wird anschließend noch einer Niederdruckdampfturbine zugeführt und schließlich in einem Kondensator wieder zu Wasser kondensiert. Das Wasser wird in einen Speisewasserbehälter zurückgeführt von wo es erneut der Verdampfung zugeführt wird. Bauteile, die heißen und unter hohem Druck stehenden Dampf führen, sind z.B. die Rohrleitungen zwischen den Dampfturbinen und dem Verdampfer oder Zwischenüberhitzer aber auch die Dampfturbinengehäuse, das Abscheidegefäß, in den Rohrleitungen eingebaute Ventile, Umleitstationen zur lastabhängigen Umleitung von Dampf oder auch nicht näher dargestellte Sammelgefäße für aus einem Überhitzungsprozeß auftretenden Dampf.

Die EP-0 075 072 AI zeigt eine mehrschalige Wand zur Trennung unterschiedlicher Drücke, Medien und/oder Temperaturen. Die Wandschalen sind zueinander in Abständen angeordnet und in den Zwischenräumen liegen zueinander unterschiedliche Drücke, Medien und/oder Temperaturen vor. Die WO-A-99/00620 zeigt eine Hochtemperatur Flanschverbindung. Ein thermisch belasteter innerer Bereich der Hochtempe- ratur-Flanschverbmdung ist von einem Hohlraum umgeben, durch den ein Kuhlmedium zur Kühlung der Hochtemperatur-Flanschver- bindung fuhrbar ist.

In den Patent Abstracts of Japan Nr. 07233900 ist eine Gasleitung mit einem Innenrohr und mit einem das Innenrohr konzentrisch umgebenden Außenrohr beschrieben. Dabei ist das Innenrohr von einem heißen Abgas unter hohem Druck durchströmt. Um eine Temperaturabnahme des Heißgases im Innenrohr zu verhindern, ist m dem Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr eine Wärmedämmung aus zwei Schichten vorgesehen. Die Wärmedämmung besteht aus einer festen Warmedamm- schicht, die auf die Innenoberflache des Außenrohrs aufgebracht ist, sowie aus einer statischen Luftschicht m dem Ringraum zwischen der Warmedammschicht und der Außenober- flache des Innenrohrs. Der Druck unter dem die Luftschicht steht, ist hierbei durch Zufuhr von Druckluft m den Fingraum oder durch Entweichenlassen aus dem Ringraum jeweils einstellbar .

Aus der DE 34 21 067 AI geht eine Frischdampf-Einstromem- πchtung für eine Hochdruck-Dampfturbine hervor. Die Ein- stromemrichtung weist zwei Einlaßrohre auf, die von einem

Innengehause und einem Außengehause der Dampfturbine trennbar und konzentrisch unter Bildung eines Zwischenraums angeordnet sind. Kuhldampf mit niedrigerer Temperatur und mit niedrigerem Druck als der Frischdampf im inneren Einlassrohr wird zwischen dem inneren und dem äußeren Rundrohr so gefuhrt, dass die Differenz zwischen den die Wandungen des inneren und des äußeren Rundrohrs beaufschlagenden Drucken sowie die Temperaturen der Wandungen der beiden Rundrohre verringert werden. Der Kuhldampf wird hierbei einer mittleren Stufe der Dampfturbine als teilentspannter Dampf mittels einer Entnah- meoffnung entnommen und dem Zwischenraum zugeführt, so dass das innere Einlassrohr gekühlt wird. Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Bauteils, welches zur Fuhrung eines heißen und unter Druck stehenden Mediums besonders geeignet ist. Weiter Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Fuhrung eines heißen und unter Druck stehenden Mediums.

Erfmdungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe gelost durch ein Bauteil, welches zur Fuhrung eines unter einem Heißdruck stehenden, eine Heißtemperatur aufweisenden Heißmediums ausgelegt ist und welches einen Heißbereich und einen den Heißbereich zumindest teilweise umgebenden Kaltbereich aufweist. Der Heißbereich ist vom Kaltbereich durch eine Trennwand getrennt. Der Kaltbereich weist einen Zufuhrungsanschluß zur Zufuhrung eines gegenüber dem Heißmedium kälteren Kaltmediums unter einem mindestens dem des Heißdruckes entsprechenden Kaltdruck auf. Die Trennwand ist ohne Einwirkung des Kaltmediums bei der Heißtemperatur nur bis zu einem Maximaldruck drucktragend, wobei der Maximaldruck kleiner ist als der Heißdruck. Heißdruck ist m der Regel der Druck im Heißbereich und Kaltdruck ist m der Regel der Druck im Kaltbereich.

Vorzugsweise ist der Kaltdruck im stationären Betrieb des Bauteils mindestens so groß wie der Heißdruck.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß höhere Temperaturen und/oder höhere Drucke für ein in einem Bauteil zu fuhrenden Heißmedium nicht beliebig dadurch zu steigern sind, daß dem Bauteil durch Erhöhung der drucktragenden Wandstarke eine höhere Festigkeit verliehen wird. Bei metallischen Bauteilwanden fuhren solche dicken Wände zu erheblichen Problemen bei der Herstellung, etwa beim Gießen metallischer Wände und gerade bei teueren hochtemperaturfesten Werkstoffen zu nicht mehr tolerierbaren Kosten. Die Erfindung schlagt nun den auf den ersten Blick widersinnigen Weg ein, ein weiteres Medium, nämlich das Kaltmedium ebenfalls unter erheblichem, m der Regel sogar höherem Druck durch das Bauteil zu fuhren. Dabei umgibt das Kaltmedium m einem Kaltbereich den Heißbereich, in dem das Heißmedium gefuhrt wird. Die Trennwand trennt den Heißbereich vom Kaltbereich. Der Kaltbereich ist wiederum von einer äußeren Wand begrenzt. Damit ergibt sich gewissermaßen eine Funktionstrennung für die Aufgaben der

Trennwand und der den Kaltbereich begrenzenden äußeren Wand. Die Trennwand dient in erster Linie der Aufnahme der thermischen Belastung durch das Heißmedium. Sie muß einen entsprechend den Temperaturen des Heißmediums ertragenden hochtempe- raturfesten Werkstoff aufweisen. Die Trennwand wird aber weitgehend vom Heißdruck dadurch entlastet, daß im Kaltbereich das Kaltmedium mit einem Gegendruck auf die Trennwand einwirkt. Das Kaltmedium wirkt also als ein Stutzmedium für die Trennwand. Die äußere, den Kaltbereich begrenzende Wand ist bei der tolerablen Wandstarke für die Aufnahme sogar eines höheren Druckes als dem Heißdruck geeignet, da die geringere Temperatur des Kaltmediums gegenüber dem Heißmedium die Festigkeit der äußeren Wand nicht beeinträchtigt. Die äußere Wand kann somit nicht nur vergleichsweise dünn sondern auch aus einem Material ausgeführt sein, das keine Hochtemperaturfestigkeit aufweisen muß.

Durch die Erfindung kann somit einerseits ein Kostenvorteil erzielt werden, indem bei der Trennwand Materialeinsparungen und bei der äußeren Wand billigeres Material verwendet werden kann. Von noch größerer Bedeutung kann aber sein, daß unter Beibehaltung bisheriger Wandstarken das Heißmedium unter erheblich höherem Druck bzw. bei erheblich höherer Temperatur durch das Bauteil fuhrbar ist.

Bevorzugt ist das Bauteil mit einem Sicherheitsventil so verbunden, daß durch Einwirkung des Sicherheitsventils eine vorgebbare Druckdifferenz zwischen Kaltdruck und dem Heißdruck nicht uberschreitbar ist.

Da die Trennwand unter Nutzung der Vorteile der Erfindung ohne Einwirkung des Kaltmediums bei der Heißtemperatur nur bis zu einem Druck drucktragend ist, der niedriger ist, als der Heißdruck, sind Maßnahmen vorzusehen, die eine volle Beaufschlagung der Trennwand mit dem Heißdruck verhindern. Durch das Sicherheitsventil wird entsprechend vermieden, daß zwischen dem Kaltdruck und dem Heißdruck eine unzulässig hohe Druckdifferenz entsteht.

Vorzugsweise ist vor einem Ventil im Heißbereich ein Druckspeicher angeordnet, der die Ausbildung eines Druckstoßes bei Schalt- oder Stellvorgangen des Ventils abmindert.

Vorzugsweise ist der Kaltbereich mit einem Druckspeicher für das Kaltmedium so verbunden, daß eine vorgebbare, maximale Geschwindigkeit für einen Druckabbau im Kaltbereich nicht überschritten wird. Bei einem plötzlichen Druckabfall im

Kaltmedium, etwa bei einem Storfall, wird durch den Druckspeicher sichergestellt, daß der Druck im Kaltmedium nur langsam abgebaut wird. Dabei ist der Druckspeicher so ausge^¬ legt, daß die sich einstellende Geschwindigkeit des Druckab- baus langsamer ist, als eine einstellbare Geschwindigkeit für den Druckabbau im Heißmedium. Der Druck im Heißmedium kann somit m etwa so schnell oαer schneller abgebaut werden, wie der Druck im Kaltmedium. Somit kommt es nicht zum Überschreiten einer maximal zulassigen Druckdifferenz zwischen dem Kaltdruck und dem Heißdruck, welche die Stabilität der Trennwand gefährden wurde.

Vorzugsweise weist das Bauteil einen von dem Zufuhrungsan- schluß getrennten Abfuhrungsanschluß für das Kaltmedium auf, so daß eine kontinuierliche Durchstromung des Kaltbereiches mit dem Kaltmedium einstellbar ist. Bei einer kontinuierlichen Durchstromung des Kaltbereiches mit dem Kaltmedium kommt es nicht zu einer signifikanten Erwärmung des Kaltmediums, welche u. U. die Festigkeiten der Trennwand oder der den Kaltbereich abschließenden äußeren Wand beeinträchtigen wurde . Bevorzugtermaßen weist die Trennwand eine Wärmeisolierung auf. Durch die Wärmeisolierung werden Warmeverluste aus dem Heißmedium verringert. Da durch das Kaltmedium eine Kühlung der Trennwand erfolgt, konnten diese Warmeverluste ohne eine Wärmeisolierung gegenüber einer konventionellen Bauweise ohne Kaltmedium unerwünscht hoch sein. Die Wärmeisolierung kann z.B. außen auf die Trennwand also angrenzend an den Kaltbereich angebracht sein. Die Wärmeisolierung kann aber auch z.B. aus einer Beschichtung auf der Innenseite der Trennwand also angrenzend an den Heißbereich oder als eine Zwischenschicht innerhalb der Trennwand ausgeführt sein.

Vorzugsweise ist der Heißbereich warmebeweglich gegenüber dem Kaltbereich ausgeführt. Insbesondere bei einem ersten Anstro- men des Heißbereiches mit dem Heißmedium und der damit verbundenen Aufheizung des Heißbereiches kommt es zu einer erheblichen Warmeausdehnung des Heißbereiches. Diese Warmeaus- dehnung liegt für den Kaltbereich nicht vor, da dieser auf der Temperatur des Kaltmediums gehalten wird. Durch Einbau geeigneter Dehnungsausgleicher in den Heißbereich, z.B. einem balgformigen Wandbereich in der Trennwand, kann der Heißbe- reich warmebeweglich so gestaltet werden, daß es nicht zum Aufbau unzulässig hoher thermischer Spannungen kommt.

Bevorzugt ist das Bauteil als eine Rohrleitung ausgeführt, wobei der Heißbereich durch ein Innenrohr und der Kaltbereich durch ein Außenrohr gebildet ist. Die Rohrwand des Innenrohrs ist somit die Trennwand oder Teil der Trennwand und die Rohrwand des Außenrohrs ist eine äußere, den Kaltbereich begren- zende Wand.

Weiter bevorzugt ist das Innenrohr am Außenrohr entlang einer Rohrleitungsachse beweglich abgestutzt. Zur Stabilisierung des Innenrohrs insbesondere bei erheblichen Rohrlangen, ist ^' eine Abstutzung des Innenrohrs erforderlich. Durch die entlang der Rohrleitungsachse bewegliche Abstutzung ist die oben erwähnte warmebewegliche Ausfuhrung des Heißbereiches gegenüber dem Kaltbereich sichergestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Innenrohr gegen eine Verbeulung versteift, insbesondere durch radial umlaufende Ringe. Da die Trennwand, also die Innenrohrwand, gemäß obigen Ausfuhrungen durch die stutzende Wirkung des Kaltmediums vergleichsweise dünn ausgeführt ist, kann eine Versteifung des Innenrohrs vorteilhaft sein. Diese Versteifung ge- schieht vorzugsweise durch radial auf das Innenrohr aufgebrachte umlaufende Ringe, die m weiter bevorzugter Ausgestaltung m einer auf das Innenrohr aufgebrachte Wärmeisolierung so eingebettet sind, daß es nicht zu einem erhöhten Stromungswiderstand für das Kaltmedium kommt.

Vorzugsweise ist das Bauteil als ein Ventil ausgeführt. Gerade bei einem komplex geformten Bauteil wie einem Ventil kann es bei hohen Wandstarken zu großen fertigungstechnischen Problemen kommen. Insbesondere ein Gießen der Ventilwande ist ab einer bestimmten Wandstarke schwierig. Durch die Herabsetzung der Wandstarken mittels der Aufteilung m einen Heiß- bereich und einen Kaltbereich wird dieses Problem gelost.

Vorzugsweise ist das Heißmedium Dampf oder überkritisches Wasser. Weiter bevorzugt ist auch das Kaltmedium Dampf. Es kann auch Wasser sein. Bevorzugtermaßen ist das Bauteil eine Komponente einer Dampfturbmenanlage . Komponenten einer Dampfturbmenanlage sind besonders hohen Temperaturen und Drucken ausgesetzt. Es werden bereits teure SpezialStahle verwendet, um der kombinierten Anforderung aus hohen Temperaturen und großen Drucken gerecht zu werden. Bei Metalltemperaturen von 620 °C erreicnen die derzeit verwendeten Werkstoffe (z.B. 10 % Chromstahle) ihre Einsatzgrenze und weisen nur noch geringe Festigkeitswerte auf. Für dampffuhrende, druckbeaufschlagte Bauteile fuhrt dies zu zum Teil unverh ltnismäßig hohen Wandstarken. Damit wird, wie oben ausgeführt, die Grenze der Gießbarkeit von Ventilgehausen und Turbinenge- hausen erreicht. Weiterhin bedeuten die hohen Wandstarken einen großen Materialaufwand und damit hohe Kosten auch für Rohrleitungen. Auch schon vor dem Erreichen der Werkstoffeinsatzgrenze werden die zur Aufnahme der Drucke erforderlichen Wandstarken sehr groß. Gerade für Ventilgehause und Sammler für Dampf aus einem Erhitzungsprozeß kann sich daraus schon unterhalb 620 °C Metalltemperatur eine Grenze der technischen Machbarkeit ergeben, z.B. aus der beschrankten Gießbarkeit und aus dem schlechten mstationaren Verhalten dickwandiger Bauteile.

Vorzugsweise ist das Bauteil ein Sammelbehalter für aus einem Überhitzungsprozeß austretenden Dampf, ein Dampfkessel zur Erzeugung oder Erhitzung von Dampf, ein Abscheidebehalter zur Abscheidung von Wasser aus Dampf oder ein Dampfturbmenge- hause.

Bevorzugtermaßen ist das Bauteil mit einem Dampfkessel so verbunden, daß das Kaltmedium dem Dampfkessel zufuhrbar und dort durch eine Erhitzung in das Heißmedium umwandelbar ist. in dieser Ausführungsform entspricht somit das Kaltmedium dem Heißmedium, wobei das Kaltmedium dem Erhitzungsprozeß zugeführt wird, wahrend das Heißmedium vom Erhitzungsprozeß abgeführt wird. D. h., daß das vom Kessel bereits erhitzte Heiß- medium von einem Medium umschlossen wird, dem genau diese Erhitzung noch bevorsteht. Z.B. konnte bei einer Dampfturbmenanlage das dem Dampfkessel zuzuführende Speisewasser als Kaltmedium den m dem Dampfkessel aus dem Speisewasser erzeugten Frischdampf als Heißmedium umschließen. Ebenso konnte einem Zwischenuberhitzungsprozeß zuzuführender Dampf den im

Zwischenuberhitzungsprozeß erhitzten Dampf umschließen. Dabei sind nicht nur die Temperaturvoraussetzungen erfüllt, d.h. das Kaltmedium ist kalter als das Heißmedium, sondern das Kaltmedium weist auch mindestens αen Druck des Heißmediums auf und kann somit als Stutzmedium für die Trennwand dienen. Bevorzugt ist somit eine Ausgestaltung bei der das Außenrohr einer Speisewasserpjumpe mit dem Dampfkessel und das Innenrohr den Dampfkessel mit einem Dampfturbmenteil stromungstech- nisch verbindet. Bevorzugt ist ebenso eine Ausfuhrung bei der das Außenrohr einen Dampfturbmenteil eines ersten Druckbereiches und das Innenrohr den Dampfkessel mit einem Da pf- turbmenteil eines zweiten, gegenüber dem ersten Druckbereich niedrigeren Druckbereiches stromungstechnisch verbindet.

Erfmdungsgemaß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelost durch ein Verfahren zur Fuhrung eines unter einem Heißdruck stehenden, eine Heißtemperatur aufweisenden Heiß- mediums m einem Heißbereich wobei der Heißbereich von einem Kaltmedium umströmt wird, welches Kaltmedium eine niedrigere Temperatur als das Heißmedium und einen Kaltdruck aufweist, welcher Kaltdruck mindestens halb so groß wie der Heißdruck ist. Bevorzugtermaßen ist der Kaltdruck mindestens so groß wie der Heißdruck.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entsprechend den obigen Ausfuhrungen zu den Vorteilen des Bauteils.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstablich:

FIG 1 eine Dampfturbmenanlage nach dem Stand der Technik, FIG 2 eine Dampfturbmenanlage mit Bauteilen zur Fuhrung heißen Dampfes, die von kälterem Stutzdampf umgeben sind, FIG 3 einen Querschnitt durch eine Rohrleitung mit innen und Außenrohr, FIG 4, 5 ein Innenrohr entsprechend FIG 3 mit jeweils anderer Ausfuhrung einer Wärmeisolierung, FIG 6 eine Rohrleitung mit versteiftem Innenrohr m ei- nem Längsschnitt,

FIG 7 ein Innenrohr in einem Längsschnitt mit balgfor- migem Dehnungsausgleicher, FIG 8, 9 ein Innenrohr mit war ebeweglicher Dichtung, FIG 10-12 eine Rohrleitung m einem Querschnitt mit abgestutztem Innenrohr, FIG 13 ein Ausschnitt einer axial beweglichen Innenrohr- abstutzung,

FIG 14, 15 einen Querschnitt durch stromungstechnisch gunstig ausgebildete Innenrohrabstutzungen, FIG 16 eine axial fixierte Innenrohrabstutzung, FIG 17 einen Schnitt durch die Innenrohrabstutzung der FIG 16,

FIG 18 eine Rohrleitung mit Innenrohr und Außenrohr, Abstutzungen und Dehnungsausgleichern, FIG 19 eine rechtwinklig gebogene Rohrleitung mit Innenrohr und Außenrohr, FIG 20 eine verzweigte Rohrleitung mit Innen- und Außenrohr, FIG 21 einen Überhitzeraustrittssammler im Querschnitt, FIG 22 eine vergrößerte Darstellung einer Rohrzuleitung eines Uberhitzeraustrittssammlers, FIG 23 eine Ansicht der Rohrzuleitung aus FIG 22,

FIG 24 eine andere Ausführungsform der Rohrzuleitung eines Uberhitzeraustrittssammlers, FIG 25 eine warmebewegliche Ausfuhrung eines Uberhitzeraustrittssammlers im Längsschnitt, FIG 26 ein Dampfturbmenventil im Längsschnitt und FIG 27 eine Hochdruckdampfturbine im Längsschnitt.

Gleiche Bezugszeichen haben den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Figur 1 zeigt eine Dampfturbmenanlage 80. Em Speisewasser- behalter 18 ist mit zwei parallel geschalteten Speiswasserpumpen 19 und jeweils einer Speisewasserpumpe 19 folgender Ruckschlagklappe 20 verbunden. Hinter den Ruckschlagklappen 20 folgende Leitungen sind als Speisewasserleitungen 23 zusammengeführt. Die Speisewasserleitung 23 fuhrt zu einem Hochdruckvorwarmer 21. Stromungstechnisch vor und nach dem Hochdruckvorwarmer 21 sind Umgehungsventile 22 angeordnet, mit denen eine Umfahrung des Hochdruckvorwarmers 21 möglich ist. Der Hochdruckvorwarmer 21 ist mit Verdampfer- und Econo- mizer-Heizflachen 1 verbunden. Die Verdampfer- und Economi- zer-Heizflachen 1 sind mit Frischdampfuberhitzer-Heizflachen 2 verbunden. Die Frischdampfuberhitzer-Heizflachen sind mit einem Frischdampfuberhitzeraustrittssammmler 3 verbunden. Vom Frischdampfuberhitzeraustrittssa mler 3 fuhrt eine Frisch- dampfleitung 4 zu einem Frischdampfventil 5 und zu einer Hochdruckumleitstation 24. Vom Frischdampfventil 5 fuhrt eine Leitung zu einer Hochdruckturbine 6. Aus der Hochdruckturbine 6 fuhrt eine Kaltzwischenuberhitzungsleitung 7 zu Zwischen- uberhitzerheizflachen 8. Die Zwischenuberhitzerheizflachen 8 sind mit einem Zwischenuberhitzeraustrittssammler 9 verbun- den. Vom Zwischenuberhitzeraustrittssammler 9 fuhrt eine

Heißzwischenuberhitzerleitung 10 zu einer Niederdruckumleit- sation 25 und zu einem Abfangventil 11. Das Abfangventil 11 ist mit einer Mitteldruckturbme 12 verbunden. Von der Mit- teldruckturbme 12 fuhrt eine Überströmleitung 13 zu einer Niederdruckturbine 14. Zur Niederdruckturbine 14 fuhrt auch eine Leitung von der Niederdruckumleitstation 25. Die Nieder- druckturbme 14 ist weiterhin mit einem Kondensator 15 verbunden. Der Kondensator 15 ist mit einer Kondensatpumpe 16 verbunden. Die Kondensatpumpe 16 ist mit einem Niederdruck- vorwarmer 17 verbunden. Der Niederdruckvorwarmer 17 ist mit dem Speisewasserbehalter 18 verbunden.

Beim Betrieb der Dampfturbmenanlage 80 wird Speisewasser aus dem Speisewasserbehalter 18 über die Speisewasserpumpen 19 dem Hochdruckvorwarmer 21 zugeführt und dort vorgewärmt. Das so vorgewärmte Speisewasser wird über die Speisewasserleitung 23 den Verdampfer- und Economizer-Heizflachen 1 und den Fπschdampfuberhitzer-Heizflachen 2 zugeführt und dort erhitzt. Im Uberhitzeraustπttssammler 3 sammelt sich erzeugter Dampf oder überkritisch erhitztes Wasser. Der erzeugte

Frischdampf wird über die Frischdampfleitung 4 der Hochdruck- turbme 6 zugeführt. Der aus der Hochdruckturbine 6 austre- ) M ro P¹ P¹

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einer schwierigen Herstellbarkeit (Gießbarkeit) und hohen Materialkosten nachteilig, sie begrenzen außerdem die zulassige Geschwindigkeit von Temperaturanderungen, z. B. beim Anfahren oder bei Lastwechseln.

Figur 2 zeigt eine der FIG 1 entsprechende Dampfturbmenanlage 80, wobei aber für die besonders druck- und temperaturbelasteten Bauteile ein völlig neues Konzept verwendet wird. Z. B. ist die Frischdampfleitung 4 als ein Innenrohr m einem Außenrohr ausgeführt (siehe Figur 3), wobei das Außenrohr die Speisewasserleitung 23 bildet. Entsprechend ist die Heißzwi- schenuberhitzerleitung 10 ein Innenrohr, welches von der Kaltzwischenuberhitzerleitung 7 als Außenrohr umgeben ist. Durch diese Ausfuhrung wird ein Heißmedium, etwa Frischdampf oder zwischenuberhitzter Dampf von einem Kaltmedium, etwa

Speisewasser oder noch zu überhitzender Dampf umgeben. Dabei weist jeweils das Kaltmedium einen höheren Druck auf als das Heißmedium. Dadurch kann das jeweilige Innenrohr mit einer dünnen Wandstarke ausgeführt sein, da das jeweilige Kalt e- dium als ein das Innenrohr stutzendes Stutzmedium dient. Die Wand des jeweiligen Außenrohrs kann ebenfalls dunner oder aus einem vergleichsweise billigem Werkstoff gefertigt sein, da keine Festigkeitsbeemtrachtigung durch eine hohe Temperatur erfolgt. Entsprechend sind die Uberhitzeraustrittssammler 3, 9 oder Ventile 5, 11 oder auch die Umleitstationen 24, 25 so ausgeführt, daß das jeweils zu fuhrende Heißmedium von einem Kaltmedium umgeben ist. Für eine gegebenenfalls notwendige weitere Abkühlung des Kaltmediums sind an geeigneten Stellen Einspritzdüsen 29 zur Einspritzung von Wasser zur weiteren Abkühlung des Kaltmediums vorgesehen. Die Uberhitzeraus^¬ trittssammler 3, 9, die Umleitstationen 24, 25 und die Ventile 5, 11 sind zudem m t jeweils einer Abfuhrung 28 für das Kaltmedium versehen, so daß ein definierter Strom für das Kaltmedium einstellbar ist. Die Außenrohre, also etwa die Speisewasserleitung 23 oder die Kaltzwischenuberhitzerleitung 7 sind jeweils mit einem Druckspeicher 30 für das Kaltmedium versehen, so daß kein plötzlicher Druckabfall im Kaltmedium > L to to P P¹

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Unter Beibehaltung üblicher Wanddicken konnten aber auch größere Leitungsquerschnitte zum Einsatz kommen, wodurch Sto- rungsverluste sowohl im Kaltmedium 61 als auch im Heißmedium 50 verringert wurden.

Figur 4 zeigt eine andere Ausfuhrung für die Wärmeisolierung 68 des Innenrohrs 70. Die Wärmeisolierung 68 ist hierbei als eine Innenbeschichtung des Innenrohrs 70 ausgeführt. Eine weitere denkbare Ausfuhrung für die Anordnung der Warmeiso- lierung 68 zeigt Figur 5. Hier ist die Wärmeisolierung 68 als eine Zwischenschicht innerhalb der Wand des Innenrohrs 70 integriert .

Figur 6 zeigt m einem Längsschnitt em Innenrohr 70, welches von einer Wärmeisolierung 68 umgeben ist. Das Innenrohr 70 ist mit radial umlaufenden Versteifungsringen 74 umgeben. Hierdurch kann trotz der vergleichsweise dünnen Ausfuhrung des Innenrohrs 70 eine Verbeulung vermieden werden. Die Ver- steifungsrmge 74 sind m die Wärmeisolierung 68 integriert, so daß für das vorbeistromende Kaltmedium 61 kein erhöhter Stromungswiderstand folgt.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen jeweils m einem Längsschnitt em Innenrohr 70, welches mit Mitteln zur Aufnahme einer Warme- dehnung versehen ist. In Figur 7 ist dazu em balgformiger Dehnungsausgleicher 200 m das Innenrohr 70 integriert. In den Figuren 8 und 9 sind warmebewegliche Dichtungen 206 m axial gerichteten und radial umlaufenden Nuten 204 angeordnet. Halteelemente 207 halten die Dichtelemente 206 jeweils an einer der Nuten 204 gegenüberliegenden Seite. Durch eine geteilte Ausführung des Innenrohrs 70 kann sich dieses warme- bed gt ausdehnen, wobei eine Abdichtung durch die m den Nuten 204 beweglichen Dichtelemente 206 erfolgt.

Die Figuren 10 bis 12 zeigen jeweils eine Rohrleitung 62 gebildet aus einem Innenrohr 70 und einem Außenrohr 72 in einem Querschnitt. Das Innenrohr 70 ist jeweils gegenüber dem Außenrohr 72 zur Aufnahme etwaiger Rohrkrafte oder der Gewichtskraft des Innenrohrs 70 sowie zur Einstellung des Schwingungsverhaltens der Rohrleitung 69 abgestutzt. Abstutzelemente 300 sind dazu m Fuhrungselementen 302 so gehaltert, daß eine axiale und radiale Warmebewegung ermöglicht wird. Zur Verringerung des Stromungswiderstandes für das Kaltmedium 61 ist eine möglichst geringe Anzahl an Abstutzungen sinnvoll, wobei hinsichtlich des geringen Stromungswiderstands die Ausführungsform gemäß Figur 12 besonders bevorzugt ist.

Figur 13 zeigt vergrößert eine Innenrohrabstutzung mit einem Abstutzelement 300, welches m einem Fuhrungselement 302 gehaltert ist. Die Figuren 14 und 15 zeigen m einem Schnitt senkrecht zum Abstutzelement 300 stromungstechnisch günstige Ausfuhrungen für die Fuhrungselemente 302.

In Figur 16 ist eine axiale Fixierung 318 für das Innenrohr 70 gezeigt. Em Fixierbolzen 322 greift m einen Innenrohr- vorsprung 320 em. Der Fixierbolzen 322 ist durch das Außen- röhr 72 hmdurchgefuhrt und an der Außenseite des Außenrohrs 72 durch einen Deckel 323 gesichert. In einem Schnitt zeigt Figur 17 eine stromungstechnisch gunstige Ausfuhrung für den Innenrohrvorsprung 320.

Figur 18 zeigt m einem Längsschnitt einen Ausschnitt einer Rohrleitung 69, die aus einem Innenrohr 70 und einem Außenrohr 72 gebildet ist. Das Innenrohr 70 ist mit Abstutzungen 300 gegen das Außenrohr 72 abgestutzt und an einer Fixierstelle 318 axial fixiert. Dehnungsausgleicher 200 im Innen- röhr 70 ermöglichen eine Warmebeweglichkeit des Innenrohrs 70 gegenüber dem Außenrohr 72.

Einen Längsschnitt durch eine rechtwinklig gebogene Rohrleitung 69 zeigt Figur 19. Der Ausgangspunkt 500 der thermischen Dehnungen der Rohrleitung 69 ist im Bereich ihrer maximalen Krümmung . Eine verzweigende Rohrleitung 69 zeigt m einem Längsschnitt Figur 20. Ausgangspunkt 500 der thermischen Dehnungen ist hier der Verzweigungspunkt.

Figur 21 zeigt einen Querschnitt durch einen Uberhitze-Aus- trittssamrαler 3. Em Innenbehalter 601 bildet einen Heißbe- reich 54 und ist von einem Kaltbereich 56 umgeben, der durch einen Außenbehalter 603 gebildet wird.

Figur 22 zeigt in einem Ausschnitt einen Rohrleitungsansatz 600. Über einen Leitungsabschnitt 602 wird Heißdampf m den Heißbereich 54 gefuhrt. Der Leitungsabschnitt 602 wird durch eine Innenwand 608 begrenzt. Eine Außenwand 604 fuhrt den Kaltbereich 56 über die Innenwand 608 hinaus. Eine mögliche Fertigung konnte durch em Anschweißen eines Ansatzstucks 606 entlang der Schweißnaht A an der Innenwand 608 und em anschließendes Aufschweißen von Halbschalen D und C (siehe Figur 23) für die Außenwand 610 erfolgen.

Figur 24 zeigt eine andere Fertigungsmoglichkeit, bei der das Ansatzstuck 606 durch Schraubverbindungen 620 angeschraubt wird. Die Abdichtung zwischen Heißbereich 54 und Kaltbereich 56 erfolgt durch eine axial montierbare, eine Warmebewegung erlaubende Dichtung 622.

In Figur 25 ist in einem Längsschnitt em warmebeweglicher Aufbau für einen Überhitzer-Sammelbehälter 3 dargestellt.

Figur 26 zeigt in einem Längsschnitt em Dampfturbmenventil 5. Das Dampfturbmenventil 5 ist aus einem Schnellschlußven- til 704 und einem Stellventil 706 gebildet. Eine Ventilspm- del 700 öffnet und schließt das Schnellschlußventil 704 gegenüber dem Schnellschlußventilsitz 710. Eine Ventilspmdel 708 öffnet und schließt das Stellventil 706 gegenüber einem Stellventilsitz 712. Über eine Eintrittsleitung 714 gelangt Heißdampf 54 über das geöffnete Schnellschlußventil 704 zum Stellventil 706 und je nach Offnungsgrad des Stellventils 706 über eine Ableitung 716 aus dem Dampfturbmenventil 5 hinaus. Der Zuleitungsbereich des Dampfturbinenventils 5 ist doppel- wandig so ausgeführt, daß em Heißbereich 54 für den Heißdampf 51 von einem Kaltbereich 56 für em Kaltmedium, msbe- sondere Dampf, umschlossen wird. Dies hat die bereits ausführlich angesprochenen Vorteile hinsichtlich der Bauteil- wandstarke zur Folge. Insbesondere bei der komplexen Wandstruktur des Ventils 5 ergibt sich durch die reduzierten Wandstärken eine bessere Gießbarkeit. Eine Abfuhrung 28 für das Kaltmedium kann vorteilhafterweise mit einem weiteren Dampfturbinenteil so verbunden sein, daß sich für dieses Dampfturbmenteil eine Kühlung ergibt. Zur Sicherstellung einer geeigneten Durchstromung des Ventilkorpers wird dabei standig eine gewisse Menge des umschließenden Mediums über die Abfuhrung 28 aus der Umschließung herausgeführt und in den zu kühlenden Bereich der weiteren Dampfturbmenkomponente (nicht dargestellt) eingeleitet. Die Herausfuhrung aus der Umschließung ist so zu gestalten, daß eine Stagnation des Kaltmediums ausgeschlossen werden kann. Die Einleitung m den zu kühlenden Bereich muß so ausgeführt werden, daß das Kaltmedium bei einem Schnellschluß der Turbine (z.B. wegen Lastabwurfs) keine unerwünschte Leistung der Turbine bewirken kann (also kein unbeabsichtigtes Hochlaufen der Turbine verursacht) . Außerdem muß ausgeschlossen sein, daß sich bei ge- rmger Last (also geringer Zumischung heißen Dampfes) im Verlauf einer Dampfexpansion eine unzulässige Dampfnasse einstellt.

Figur 27 zeigt m einem Längsschnitt eine Hochdruckdampftur- bme 6. Em Außengehause 804 umschließt em Innengehause 802. Zwischen Innengehause 802 und Außengehause 804 verbleibt em Spalt 803, den em Kaltmedium eingeleitet wird. Das Kaltmedium weist dabei einen höheren Druck auf als Heißdampf, der im Innengehause 802 gefuhrt wird und über eine nicht darge- stellte Beschaufelung eine Welle 808 m Rotation versetzt. Dadurch ergibt sich eine Stutzwirkung für das Innengehause 802, wodurch dieses dunner ausgeführt werden kann. Außerdem kann das Außengehause 804 aufgrund obengenannter Vorteile dünnwandiger und/oder aus kostengünstigerem Werkstoff hergestellt werden.

Im folgenden werden Anforderungen an die vorgeschlagene Ausfuhrung der Bauteile einer Dampfturbmenanlage für verschiedene Betriebssituationen diskutiert.

A) Nennbetrieb und Leistungsanderungen Da im stationären Betrieb keine andere Druckerhohung als durch die Kesselspeisepumpe erfolgt, kann sich der Druck von dieser aus in Stromungsπchtunhg nur reduzieren. Da sich bei gegebenem Massenstrom > 0 immer em Druckverlust zwischen Speisewasser und Frischdampf sowie zwischen Kaltzwischenuber- hitzer und Heißzwischenuberhitzerleitung einstellen wird, ist die Bedingung, daß der Heißdruck kleiner als der Kaltdruck ist, erfüllt.

Bei Reduzierung des Massenstroms (z.B. geringerer Speisewas- serzufunr) wird eine teilweise Entleerung der Speichervolu- rαma einsetzen, in deren Verlauf ebenfalls eine Einhaltung der oben genannten Bedingung zu erwarten ist. Eine zugige Erhöhung des Massenstroms konnte zu einer gewissen Erhöhung der Druckdifferenz fuhren, die durch die Auslegung der umschlos- senen Leitung abgedeckt werden muß.

Em schnelles Offnen eines angedrosselten Stellventils fuhrt zu einer Druckabsenkung m der davorliegenden Leitung. Sollte die Auslegung der umschlossenen Leitung durch diesen Lastab- fall bestimmt sein, so kann zur Verlangsamung des Druckabfalls em Druckspeicher m der Nahe des Ventils vorgesehen werden. Diese Maßnahme ist auch für den Lastfall eines zugigen teilweisen Schließens eines Ventils vorteilhaft.

B) Schwachlast/Hochdruckventilation

Betrachtung der Zwischenuberhitzerleitungen bei Schwachlast: Bei Absenkung der Leistung auf niedrige Last (also Reduzie- rung des Dampfmassenstroms) sinken sowohl der Druck der Kaltzwischenuberhitzerleitung als auch der Druck der Heißzwischenuberhitzerleitung. Weiterhin sinkt die Druckdifferenz zwischen diesen Drucken, da bei geringerem Massenstrom der Kesseldruckverlust kleiner wird. Die Beanspruchung der Heißzwischenuberhitzerleitung nimmt somit ab. Allerdings steigt bei Schwachlast die Hochdruck-Abdampftemperatur an (Hoch- druckventilation) . Dies ist auch bei der Ausfuhrung gemäß dem Stand der Technik der Fall und muß von der Kaltzwischenuber- hitzerleitung ertragen werden können. Eine Kühlung der Heiß- zwischenuberhitzerwandung oder anderer Schutzobjekte (Sammler, Abfangventilgehause) durch den Kaltzwischenuberhitzer- dampf kann m diesem Fall nicht effektiv erfolgen. Sollten bestimmte Schutzobjekte fortwahrende Kühlung benotigen (Kuhldampf für dickwandige Bauteile, die im Fall einer schnellen Leistungsaufnahme nach langer Aufheizung bei Schwachlast nicht schnell genug wieder abkühlen können oder für rotierende Bauteile) , so ist eine Emspritzkuhlung (also durch Einspritzen von Wasser m den Dampf) sowohl für eine zentrale Vorrichtung im Hochdruckabdampfström als auch lokal vor den jeweiligen Schutzobjekten möglich. Es ist ebenfalls denkbar, zur Abkühlung die (ohnehin vorhandene) Hochdruckumleitstation zu verwenden; bei Schwachlast konnte diese etwas geöffnet werden, und der durchtretende Dampf konnte durch Wassereinspritzung abgekühlt werden. Nach Zumischung zum

Hochdruckabdampf kann so eine Abkühlung des gesamten Abdampfes erreicht werden. Nach Zumischung zum Hochdruckabdampf kann so eine Abkühlung des gesamten Abdampfes erreicht werden; nach der Zumischung können Leitungen zu den Schutzobjek- ten abzweigen.

C) Schnellschluß, Ventilpruffall mit Schnellschluß Bei einem Schnellschluß kommt es zu einem kurzzeitigen Druck- stoß, der durcn die plötzliche Verzögerung der Strömung her- vorgerufen wird. Die Hohe des Druckstoßes wird u.a. durch den Dampfmassenstrom, die vor dem Schnellschlußventil befindliche Leitungslange, die Schallgeschwindigkeit des Dampfes m der ⁾ LO ro to P¹ P>

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berücksichtigt werden. Da die Warmespannungen mit der Wandstarke und der Stromungsgeschwindigkeit zunehmen, sollte eine moderate Bestromung dickwandiger Bauteile angestrebt werden (Umschließung von Komponenten nicht im Speisewasserhaupt- ström) .

G) Ausfall der Speisewasserpumpe

Dies stellt für das gesamte Kraftwerk einen gravierenden

Storfall dar, da z.B. die Kühlung der Kesselheizflachen nicht mehr gesichert ist. Ruckschlagarmaturen verhindern m diesem Fall, daß Speisewasser durch die Pumpe zurückfließt; em Druckabfall m der Speisewasserleitung unter dem Druck der von ihr umschlossenen Frischdampfleitung wird damit abgefangen. Em sicheres Bestehen kann demnach auch bei diesem Stor- fall erreicht werden.

H) Kesselabsperrorgane verschlossen

Wie bereits erwähnt, ist der Differenzdruck zwischen Heißdruck und Kaltdruck zu überwachen und durch Schutzemπchtun- gen (Sicherheitsventile) abzusichern. Bei Stillstanden verschlossene und fehlerhaft nicht wieder geöffnete Absperror- gane fuhren beim Anfahren zu einem hohen Differenzdruck und damit zu einem Ansprechen der (nach den Vorschriften nicht absperrbaren) Schutzeinrichtungen.

Claims

Patentansprüche

1. Zur Fuhrung eines unter einem Heißdruck stehenden, eine

Heißtemperatur aufweisenden Heißmediums (50) ausgelegtes Bau-

mit einem Heißbereich (54) und einem den Heißbereich (54) zumindest teilweise umgebenden

Kaltbereich (56) und einer den Heißbereich (54) vom Kaltbereich (56) trennen- den Trennwand (58), wobei der Kaltbereich (56) einen Anschluß zur Zufuhrung eines gegenüber dem Heißmedium (50) kälteren Kaltmediums (61) unter einem mindestens dem des Heißdruckes entsprechenden

Kaltdruckes aufweist, und wobei die Trennwand (58) ohne Einwirkung des Kaltmediums (61) bei der Heißtemperatur nur bis zu einem Maximaldruck drucktragend ist, welcher Maximaldruck kleiner ist, als der

Heißdruck.

2. Bauteil nach Anspruch 1, das mit einem Sicherheitsventil (26) so verbunden ist, daß durch Einwirkung des Sicherheitsventils (26) eine vorgebbare Druckdifferenz zwischen dem Kaltdruck und dem Heißdruck nicht uberschreitbar ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kaltbereich (56) mit einem Druckspeicher (30) für das Kaltmedium (61) so verbunden ist, daß eine vorgebbare, maximale Geschwindigkeit für einen Druckabbau im Kaltbereich (56) nicht überschritten wird.

4. Bauteil nach Anspruch 1 bis 3, mit einer von der Zufuhrung getrennten Abfuhrung (28) für das Kaltmedium, so daß eine kontinuierliche Durchstromung des Kaltbereiches (56) mit dem Kaltmedium (61) einstellbar ist.

5. Bauteil nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Trennwand (58) eine Wärmeisolierung (68) aufweist .

6. Bauteil nach Anspruch 1 bis 5, mit einer gegeneinander warmebeweglichen Ausfuhrung des Heiß- bereiches (54) und des Kaltbereiches (56).

7. Bauteil nach Anspruch 1 bis 6 das als Rohrleitung (69) ausgeführt ist, wobei der Heißbe- reich (54) durch em Innenrohr (70) und der Kaltbereich (56) durch em Außenrohr (72) gebildet ist.

8. Bauteil nach Anspruch 7, bei dem das Innenrohr (70) am Außenrohr (72) entlang einer Rohrleitungsachse (73) beweglich abgestutzt ist.

9. Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Innenrohr (70) gegen eine Verbeulung versteift ist, insbesondere durch radial umlaufende Ringe (74).

10. Bauteil nach Anspruch 1 bis 6, das als Ventil ausgeführt ist.

11. Bauteil nach Anspruch 1 bis 10, bei dem das Heißmedium (50) Dampf oder überkritisches Wasser ist .

12. Bauteil nach Anspruch 1 bis 10, bei dem das Kaltmedium (61) Dampf oder Wasser ist.

13. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, das als eine Komponente einer Dampfturbmenanlage (80) ausge^¬ führt ist.

14. Bauteil nach Anspruch 13, das als Sammelbehälter für das, insbesondere aus einem Uber- hitzungsprozeß austretende, Heißmedium (50), ausgeführt ist.

15. Bauteil nach Anspruch 13, das als Dampfkessel zur Erzeugung oder Erhitzung von Dampf ausgeführt ist.

16. Bauteil nach Anspruch 13, das als Abscheidebehälter ausgeführt ist.

17. Bauteil nach Anspruch 13, das als Dampfturbinengeh use ausgeführt ist.

18. Bauteil nach Anspruch 13, 14, 16 oder 17, das mit einem Dampfkessel so verbunden ist, daß das Kaltmedium (61) dem Dampfkessel zuführbar und dort durch eine Erhitzung in das Heißmedium (50) umwandelbar ist.

19. Bauteil nach Anspruch 13 und 7, wobei das Außenrohr (72) eine Speisewasserpumpe (19) mit dem Dampfkessel und das Innenrohr (70) den Dampfkessel mit einem Dampfturbinenteil strömungstechnisch verbindet.

20. Bauteil nach Anspruch 13 und 7, wobei das Außenrohr (72) einen Dampfturbinenteil eines ersten Druckbereiches mit dem Dampfkessel und das Innenrohr (70) den Dampfkessel mit einem Dampfturbinenteil eines zweiten, gegenüber dem ersten Druckbereich niedrigeren Druckbereiches, stromungstechnisch verbindet.

21. Verfahren zur Führung eines unter einem Heißdruck stehenden, eine Heißtemperatur aufweisenden Heißmediums (50) in einem Heißbereich (54) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Heißbereich (54) von einem Kaltmedium (61) umströmt wird, welches Kaltmedium (61) eine niedrigere Temperatur als das Heißmedium (50) und einen Kaltdruck aufweist, welcher Kaltdruck mindestens halb so groß wie der Heißdruck ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Kaltdruck im stationären Bereich mindestens so groß wie der Heißdruck ist.