EP1674667A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufwärmen einer Dampfturbine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Aufwärmen einer Dampfturbine Download PDF

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EP1674667A1
EP1674667A1 EP04030351A EP04030351A EP1674667A1 EP 1674667 A1 EP1674667 A1 EP 1674667A1 EP 04030351 A EP04030351 A EP 04030351A EP 04030351 A EP04030351 A EP 04030351A EP 1674667 A1 EP1674667 A1 EP 1674667A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
control system
outer housing
heating
steam turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04030351A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Edwin Gobrecht
Lutz Kahlbau
Wilfried Dr. Ulm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP04030351A priority Critical patent/EP1674667A1/de
Publication of EP1674667A1 publication Critical patent/EP1674667A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F01D17/085—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure to temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
    • F01D19/02—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith dependent on temperature of component parts, e.g. of turbine-casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/10—Heating, e.g. warming-up before starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F01D25/145—Thermally insulated casings

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing stresses in an outer casing of a fluidly flowed generally cylindrical member, wherein the outer casing has an outer surface and an inner surface, wherein means are attached to the outer surface for heating the outer casing.
  • the invention further relates to a control system for controlling a temperature gradient in a generally cylindrical component comprising an outer housing, wherein means for heating the outer housing are attached to an outer surface of the outer housing.
  • the shortest possible start-up time of the steam turbine to be kept ready to cover the peak load is of particular importance.
  • a cold start of a steam turbine leads to a considerable startup time.
  • a cold start is understood to mean a process in which a steam turbine is in a cooled state and this is heated to an operating temperature.
  • a cooled steam turbine is essentially in thermal equilibrium with the environment.
  • the start-up time of a cold steam turbine is dependent on the permissible temperature gradients in the housing and in the rotor, which are different depending on the wall thickness and material of the housing or diameter of the rotor and too fast start cause free deformations, unwanted thermal expansion and resulting thermal stresses in the housing and in the rotor.
  • CH 429 767 a method and a device for quick start standby attitude of a steam turbine are described.
  • This document describes how a steam turbine can be maintained at such temperatures for any length of time that the turbine can be approached in a shortest possible time at a certain time, preferably to cover suddenly occurring peak loads in a power plant, as in a warm start , The steam turbine described in this document is therefore in a warm and not cooled state.
  • EP 0 537 307 A1 discloses a system for keeping the heat of a steam turbine warm.
  • an external housing is kept at a certain temperature via a computer system via electrical heating methods. By keeping this hot, it is possible, if necessary, to pressurize the turbine again with steam in a short time.
  • Object of the present invention is to provide a method and a control system, with which it is possible to warm up a cold steam turbine quickly.
  • the object of the method is achieved by a method of reducing stress in an outer casing of a fluidly flowed generally cylindrical member having an outer casing, the outer casing having an outer surface and an inner surface, means on the outer surface for heating the outer casing in which, during a warm-up operation, the fluid is conducted into the component and the inner surface is heated thereby, wherein the outer temperature of the outer surface is adjusted by the means such that a predeterminable temperature gradient between the outer temperature of the outer surface and an inner temperature of the inner surface is not exceeded.
  • the advantage of this method is, inter alia, that stresses in the material due to a substantially synchronous heating of the inner surface and the outer surface of the outer housing of the outer housing can be reduced to about 25% of the unilaterally flowed outer housing. This synchronous warm-up process shortens the cold start time. Another advantage arises from the fact that the outer housing has to endure less damaging temperature cycles. This will lead to an extension of the service life.
  • the method is designed such that a predeterminable temperature gradient between the outside temperature of the outer surface and a middle temperature of a middle region of the outer housing is not exceeded. Equally advantageously, the method is designed such that a predeterminable temperature gradient between the internal temperature of the inner surface and a mean temperature of a middle region of the outer housing is not exceeded.
  • the central area that lies between the outer surface and the inner surface of the outer housing Due to the synchronous heating, the average temperature is kept substantially "closer" to the surface temperature than with one-sided heating. The temperature gradient is reduced by a factor of approximately four. The process is extended to minimize these undesirable temperature gradients.
  • the predeterminable temperature gradient is selected such that it depends on the internal temperature.
  • an alarm is triggered when the temperature gradient exceeds the predetermined value.
  • a control system for controlling a temperature gradient in a generally cylindrical member comprising an outer casing, means for heating the outer casing being mounted on an outer surface of the outer casing, a control unit provided on the means being such are formed so that a temperature gradient between the outside temperature of the outer surface and an inner temperature of the inner surface is below a predetermined value.
  • control unit is designed such that a temperature gradient between the outside temperature of the outside surface and a middle temperature in the central region of the outside housing is below a predefinable value.
  • control unit is designed such that a temperature gradient between the internal temperature of the inner surface and a mean temperature in the central region of the outer housing is below a predeterminable value.
  • means for measuring the internal temperature of the inner surface and the outer temperature of the outer surface are provided.
  • means for measuring the mean temperature of the central region are provided.
  • the middle region lies between the inner surface and the outer surface of the outer housing.
  • the means for heating the outer housing comprises an electric heater.
  • the means for heating the outer housing comprises a heating fluid in an arrangement mounted on the outer surface.
  • This embodiment offers the advantage that already existing fluid in the form of vapor flows through the means and thereby achieves a heating effect.
  • control system find use in a steam turbine, in a valve or in a pipeline.
  • FIG 1 is a perspective view of a steam turbine 1, which is connected to a steam line 2, to see.
  • the steam line 2 is connected to a steam generator, not shown. Fluid flows into the steam turbine 1 via the steam line 2.
  • the steam turbine 1 has an outer housing 3.
  • the outer housing 3 has an outer surface 4 and an inner surface 5.
  • the steam turbine can be considered as a generally cylindrically shaped component.
  • On the outer surface 4 of the outer housing 3 means 6 for heating the outer surface 4 of the outer housing 3 are mounted.
  • measuring points 7, 8 are attached to the steam turbine 1.
  • the measuring points 7, 8 are designed for measuring the temperature.
  • the measured temperatures are transmitted to a control unit 9.
  • the control unit 9 is designed to control a temperature. Values for a temperature gradient can be specified via a possibility which is not shown in more detail.
  • FIG. 2 shows a cross section through part of the outer housing 3.
  • means for heating the outer casing 3 are attached on the outer surface 4 of the outer housing 3.
  • the means for heating the outer casing 3 may also be attached to a valve 14 or to a steam pipe 2.
  • an insulation 11 is arranged to the means 6 for heating.
  • an electric heater a pipe through which a hot fluid can flow or the like can be used.
  • FIG. 3 a shows a temperature distribution as a function of the location from the inner surface 5 to the outer surface 4.
  • FIG. 3a shows the temperature profile according to the prior art.
  • the temperature 3b shows the temperature profile according to the present invention.
  • On the vertical axis the temperature is plotted in both figures 3a and 3b.
  • the location d is plotted on the horizontal axis.
  • the temperature profile between the location d A of the outer surface and the location d I of the inner surface is shown. It can be seen in FIG. 3 a that the temperature during a cold start is smaller on the outer surface T A than on the inner surface T I. This is because hot steam flows to the inner surface, thereby heating it comparatively quickly.
  • the heating of the outer surface 4 is not carried out to the same extent as on the inner surface 5. It turns out an undesirably large temperature gradient .DELTA.T.
  • heat is introduced during a cold start by attaching means 6 for heating the outer housing 3.
  • the introduced heat must be such that the temperature at the inner surface T I , which is acted upon by steam, is higher than the saturated steam temperature to the expected pressure.
  • the introduction of the heat is upstream of the actual startup process, whereby condensation is prevented.
  • the internal temperature T I is almost identical to the outside temperature T A. This means that no temperature gradient arises between the inner surface 5 and the outer surface 4. However arises in the middle between the outer surface 4 and the Inner surface 5 a lower center temperature T M , which leads to a gradient between the central region of the outer housing and the outer surface and the inner surface. 5
  • FIG. 5 diagrammatically shows the outer housing 3 and a total of three measuring points x, y and z.
  • the measuring point y lies substantially in the middle between the measuring points x and z, which are respectively arranged on the outer surface 4 and on the inner surface 5.
  • the temperature is measured at the measuring points x, y and z.
  • the temperature profile during the startup process is shown schematically.
  • the means for heating the outer surface 4 cause a heating of the outer surface 4 to the temperature T A , which, as shown in Figure 4b, is almost identical to the internal temperature T I.
  • the internal temperature T I has become higher by a certain amount.
  • the outside temperature T A has become higher as well as the mean temperature T M.
  • the temperature characteristic illustrated in FIG. 4d is intended to represent the temperature profile substantially after the cold start. It can be seen clearly that the internal temperature T I , the average temperature T M and the outside temperature T A almost in the thermal Balance are. In other words, the temperature distribution is stationary as described in FIG. 4d, since an insulation 11 is attached around the means 6 for heating.
  • the method for reducing stresses in an outer casing can be used for a steam turbine, for a valve or for a pipeline.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse (3) eines mit einem Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils (3) mit einem Außengehäuse (3) vorgestellt, wobei das Außengehäuse (3) eine Außenfläche (4) und eine Innenfläche (5) aufweist, wobei Mittel (6) an der Außenfläche (4) zum Beheizen des Außengehäuses (3) angebracht werden, wobei das Fluid während eines Aufwärmvorgangs in das Bauteil (3) geleitet wird und die Innenfläche (5) dadurch erwärmt wird, wobei die Außentemperatur der Außenfläche (4) durch das Mittel (6) derart eingestellt wird, dass eine vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche (4) und einer Innentemperatur der Innenfläche (5) nicht überschritten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse eines mit einem Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils, wobei das Außengehäuse eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei Mittel an der Außenfläche zum Beheizen des Außengehäuses angebracht werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Regelsystem zur Regelung eines Temperaturgradienten bei einem ein Außengehäuse umfassenden allgemein zylindrischen Bauteil, wobei an einer Außenfläche des Außengehäuses Mittel zum Beheizen des Außengehäuses angebracht sind.
  • Zur Deckung von kurzzeitig auftretenden Spitzenlasten in Kraftwerken ist die kürzest mögliche Anfahrzeit der zur Deckung der Spitzenlast bereitzuhaltenden Dampfturbine von besonderer Bedeutung. Je kürzer die Anfahrzeit einer Dampfturbine zum Zeitpunkt des Startbefehls bis zum Zeitpunkt des Volllastbetriebes gehalten werden kann, umso geringer sind die während der Anfahrzeit in einem Kraftwerk entstehenden Kosten für die Stromentnahme aus einem Verbundnetz.
  • Insbesondere ein Kaltstart einer Dampfturbine führt zu einer nicht unerheblichen Anfahrzeit. Unter einem Kaltstart soll ein Vorgang verstanden werden, bei dem eine Dampfturbine in einem abgekühlten Zustand vorliegt und diese auf eine Betriebstemperatur erwärmt wird. Eine abgekühlte Dampfturbine liegt im Wesentlichen im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung vor.
  • Die Anfahrzeit einer kalten Dampfturbine ist abhängig von den zulässigen Temperaturgradienten im Gehäuse und im Läufer, die je nach Wandstärke und Material des Gehäuses bzw. Durchmesser des Läufers unterschiedlich sind und bei zu schnellem Anfahren im Gehäuse und im Läufer freie Verformungen, unerwünschte Wärmedehnungen und daraus resultierend Wärmespannungen verursachen.
  • Des Weiteren treten beim Anfahren einer Dampfturbine durch schnelles Öffnen von Schiebern und/oder Ventilen plötzliche Drucksteigerungen auf, die zu einer Kondensation des Dampfes an den beaufschlagten Oberflächen von Gehäusen führen können. Eine Druckbegrenzung während des Anfahrvorgangs zur Begrenzung des Sattdampfsprunges ist notwendig. Gemäß dem Stand der Technik wird der maximale Druck zum Anfahren vorab definiert und mit Hilfe von Temperaturmessstellen an der dampfbeaufschlagten Seite und in der Mitte der Gehäusewand überwacht.
  • Weitere Faktoren, von der die Anfahrzeit einer kalten Dampfturbine abhängig ist, sind maximal zulässige Temperaturgradienten in Turbinenaußengehäusen und in Ventilgehäusen. Je größer eine Temperaturdifferenz, umso größer ist die Spannung in einem Bauteil. Abhilfe wird hier geschaffen, indem beim Kaltstart der Dampfturbine die zeitliche Zuführung von Dampf so geändert wird, dass ein Temperaturausgleich der Gehäusewand erfolgen kann. Dies führt aber zu einer Verlängerung der Anfahrzeit.
  • Ein weiterer Faktor, der zu Verzögerungen beim Kaltstart einer Dampfturbine führt, sind die langsamen Vorwärmungen der Dampfleitungen zwischen dem Abzweig zu einer Umleitstation und der Dampfturbine. Die Umleitstation übernimmt den größten Anteil der anfallenden Dampfmenge vom Dampferzeuger. In der verbleibenden Rohrleitung zur Turbine wird nur noch ein geringer Massenstrom geführt. Der geringe Massenstrom durch eine Anwärmleitung vor einer Dampfturbine wird durch die kalte Rohrwand so weit abgekühlt, dass der Dampf nicht mehr vorgegebene Strömungsparameter einhält.
  • In der CH 429 767 werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schnellstartbereitschaftshaltung einer Dampfturbine beschrieben. In diesem Dokument wird beschrieben, wie eine Dampfturbine über beliebig lange Zeit auf solchen Temperaturen gehalten werden kann, dass die Turbine wie bei einem Warmstart die Turbine zu einer bestimmten Zeit, vorzugsweise zur Deckung plötzlich auftretender Spitzenlasten in einem Kraftwerk in kürzest möglicher Zeit angefahren werden kann. Die in diesem_Dokument beschriebene Dampfturbine ist_demnach in einem warmen und nicht abgekühlten Zustand.
  • In der EP 0 537 307 A1 ist ein System zur Warmhaltung einer Dampfturbine offenbart. Hierbei wird über elektrische Heizmethoden ein Außengehäuse über ein Computersystem auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Durch diese Warmhaltung ist es möglich, bei Bedarf die Turbine in kurzer Zeit wieder mit Dampf zu beaufschlagen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Regelsystem anzugeben, mit dem es möglich ist, eine kalte Dampfturbine schnell aufzuwärmen.
  • Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse eines mit einem Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils mit einem Außengehäuse, wobei das Außengehäuse eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei Mittel an der Außenfläche zum Beheizen des Außengehäuses angebracht werden, wobei während eines Aufwärmvorgangs das Fluid in das Bauteil geleitet und die Innenfläche dadurch erwärmt wird, wobei die Außentemperatur der Außenfläche durch das Mittel derart eingestellt wird, dass ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Innentemperatur der Innenfläche nicht überschritten wird.
  • Der Vorteil dieses Verfahrens liegt unter anderem darin, dass durch ein im Wesentlichen synchrones Erwärmen der Innenfläche und der Außenfläche des Außengehäuses Spannungen in dem Material des Außengehäuses auf etwa 25% des einseitig beströmten Außengehäuses reduziert werden. Durch diesen synchronen Aufwärmvorgang verkürzt sich die Kaltstartzeit. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das Außengehäuse weniger schädigende Temperaturzyklen aushalten muss. Dies wird zu einer Verlängerung der Lebensdauer führen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfahren derart gestaltet, dass ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Mitteltemperatur eines mittleren Bereiches des Außengehäuses nicht überschritten wird. Genauso vorteilhaft wird das Verfahren derart gestaltet, dass ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur der Innenfläche und einer Mitteltemperatur eines mittleren Bereichs des Außengehäuses nicht überschritten wird.
  • Dadurch ist es möglich, den mittleren Bereich, der zwischen der Außenfläche und der Innenfläche des Außengehäuses liegt, zu kontrollieren. Durch die synchrone Beheizung wird die mittlere Temperatur wesentlich "näher" an der Oberflächentemperatur gehalten als bei einseitiger Beheizung. Der Temperaturgradient wird um einen Faktor von annähernd vier reduziert. Das Verfahren wird derart erweitert, dass diese unerwünschten Temperaturgradienten minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der vorgebbare Temperaturgradient derart gewählt, dass dieser von der Innentemperatur abhängt.
  • Dadurch ist ein vergleichsweise einfacher Parameter gefunden, der dazu benutzt wird, die Außentemperatur über das Mittel zu regeln.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein Alarm ausgelöst, wenn der Temperaturgradient den vorgebbaren Wert überschreitet.
  • Dadurch ist es möglich, Personalkosten einzusparen, indem auf eine unzulässige Überschreitung des Temperaturgradienten automatisch aufmerksam gemacht wird.
  • Die auf das Regelsystem hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Regelsystem zur Regelung eines Temperaturgradienten bei einem ein Außengehäuse umfassenden allgemein zylindrischen Bauteil, wobei an einer Außenfläche des Außengehäuses Mittel zum Beheizen des Außengehäuses angebracht sind, wobei eine Regeleinheit an dem Mittel vorgesehen sind, die derart ausgebildet sind, dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Innentemperatur der Innenfläche unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  • Die Vorteile des Regelsystems ergeben sich hierbei entsprechend den beim Verfahren genannten Vorteilen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Regeleinheit derart ausgebildet, dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Mitteltemperatur im mittleren Bereich des Außengehäuses unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Regeleinheit derart ausgebildet, dass ein Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur der Innenfläche und einer Mitteltemperatur im mittleren Bereich des Außengehäuses unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Mittel zum Messen der Innentemperatur der Innenfläche und der Außentemperatur der Außenfläche vorgesehen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Mittel zum Messen der Mitteltemperatur des mittleren Bereichs vorgesehen.
  • Dadurch ist es möglich, Regel- bzw. Störparameter schnell zu erfassen und diese an das Regelsystem weiterzuführen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung liegt der mittlere Bereich zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des Außengehäuses.
  • Dadurch hat man einen Bereich lokalisiert, der bei einer synchronen Aufheizung der Innenfläche als auch der Außenfläche besonders belastet wird und deswegen berücksichtigt werden muss.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses eine elektrische Heizung.
  • Durch diese Maßnahme ist es möglich, dass ein Mittel zum Beheizen eingesetzt wird, das in einem Kraftwerk naturgemäß günstig und schnell mit Energie versorgt werden kann. Des Weiteren ist diese vorteilhafte Weiterbildung wartungsarm.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses ein Heizfluid in einer an der Außenfläche angebrachten Anordnung.
  • Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ohnehin vorhandenes Fluid in Form von Dampf durch das Mittel strömt und dadurch eine Heizwirkung erreicht.
  • Es ist ein Aspekt der Erfindung, dass das Regelsystem Verwendung in einer Dampfturbine, in einem Ventil oder in einer Rohrleitung findet.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche und funktionsidentische Bauteile werden durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine perspektivische Darstellung eines Regelsystems;
    Figur 2
    eine Schnittdarstellung des Mittels zum Aufwärmen;
    Figur 3a, b
    eine qualitative Darstellung der Temperaturverteilung während eines Kaltstarts gemäß dem Stand der Technik (3a) und der Erfindung (3b);
    Figur 4a - 4d
    qualitative Darstellung der Temperaturverteilung im Außengehäuse für verschiedene Zeitpunkte des Kaltstarts;
    Figur 5
    eine schematische Darstellung von Messstellen.
  • In der Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Dampfturbine 1, die mit einer Dampfleitung 2 verbunden ist, zu sehen. Die Dampfleitung 2 ist mit einem nicht näher dargestellten Dampferzeuger verbunden. Über die Dampfleitung 2 strömt Fluid in die Dampfturbine 1.
  • Die Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 3 auf. Das Außengehäuse 3 weist eine Außenfläche 4 und eine Innenfläche 5 auf. Die Dampfturbine kann als allgemein zylindrisch ausgebildetes Bauteil betrachtet werden. An der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 sind Mittel 6 zum Beheizen der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 angebracht. Zum Messen und Prüfen sind Messstellen 7, 8 an der Dampfturbine 1 angebracht. Die Messstellen 7, 8 sind zum Messen der Temperatur ausgebildet. Die gemessenen Temperaturen werden an eine Regeleinheit 9 übertragen. Die Regeleinheit 9 ist ausgebildet zum Regeln einer Temperatur. Über eine nicht näher dargestellte Möglichkeit sind Werte für einen Temperaturgradienten vorgebbar.
  • In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Außengehäuses 3 dargestellt. An der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 sind Mittel zum Beheizen des Außengehäuses 3 angebracht. Die Mittel zum Beheizen des Außengehäuses 3 können auch an ein Ventil 14 oder an ein Dampfleitungsrohr 2 angebracht werden. Um die Mittel 6 zum Beheizen ist eine Isolierung 11 angeordnet. Als Mittel 6 zum Beheizen kann eine elektrische Heizung, ein mit einem Heißfluid durchströmbares Rohr oder_ähnliches verwendet werden.
  • In der Figur 3a ist eine Temperaturverteilung in Abhängigkeit des Ortes von der Innenfläche 5 zur Außenfläche 4 dargestellt. Die Figur 3a zeigt den Temperaturverlauf gemäß dem Stand der Technik. Die Temperatur 3b zeigt den Temperaturverlauf gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf der senkrechten Achse ist in beiden Figuren 3a und 3b die Temperatur aufgetragen. Auf der waagerechten Achse ist der Ort d aufgetragen. Insbesondere ist der Temperaturverlauf zwischen dem Ort dA der Außenfläche und dem Ort dI der Innenfläche dargestellt. In der Figur 3a ist zu sehen, dass die Temperatur während eines Kaltstarts an der Außenfläche TA kleiner ist als an der Innenfläche TI. Dies rührt daher, dass heißer Dampf auf die Innenfläche strömt und diese dadurch vergleichsweise schnell erwärmt. Die Erwärmung der Außenfläche 4 erfolgt nicht im selben Maße wie an der Innenfläche 5. Es stellt sich ein unerwünscht großer Temperaturgradient ΔT aus.
  • Gemäß Figur 3b wird während eines Kaltstarts durch Anbringen von den Mitteln 6 zum Beheizen des Außengehäuses 3 Wärme eingebracht. Die eingebrachte Wärme muss derart sein, dass die Temperatur an der Innenfläche TI, die von Dampf beaufschlagt ist, höher ist als die Sattdampftemperatur zum erwarteten Druck. Die Einbringung der Wärme ist dem eigentlichen Anfahrprozess vorgelagert, wodurch eine Kondensation verhindert wird. In dem in Figur 3b dargestellten Zeitpunkt ist die Innentemperatur TI nahezu identisch mit der Außentemperatur TA. Das bedeutet, dass zwischen der Innenfläche 5 und der Außenfläche 4 kein Temperaturgradient entsteht. Allerdings entsteht in der Mitte zwischen der Außenfläche 4 und der Innenfläche 5 eine niedrigere Mittentemperatur TM, die zu einem Gradienten zwischen dem mittleren Bereich des Außengehäuses und der Außenfläche als auch der Innenfläche 5.
  • In der Figur 5 ist in schematischer Weise das Außengehäuse 3 und insgesamt drei Messstellen x, y und z dargestellt. Die Messstelle y liegt hierbei im Wesentlichen in_der Mitte zwischen den Messstellen x und z, die jeweils an der Außenfläche 4 und an der Innenfläche 5 angeordnet sind. An den Messstellen x, y und z wird jeweils die Temperatur gemessen. Zwischen den Messstellen x und y und den Messstellen y und z bilden sich Temperaturunterschiede ΔTxy und ΔTxz aus. Wünschenswert ist ein gleich großer Temperaturunterschied ΔTxy zwischen x und y wie zwischen y und z. Das bedeutet, folgende Gleichung sollte im Wesentlichen erfüllt sein: ΔTxy = ΔTxz.
  • In den Figuren 4a bis 4d ist schematisch der Temperaturverlauf während des Anfahrvorgangs dargestellt. In der Figur 4a ist der Temperaturverlauf im Außengehäuse 3 kurz vor dem Kaltstart dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Außentemperatur TA und die Innentemperatur TI im thermischen Gleichgewicht sich befinden. Zu einem späteren Zeitpunkt t = t1, nachdem heißer Dampf die Innenfläche 5 beaufschlagt hat, steigt die Temperatur TI an. Durch Wärmeübertragung steigt ebenfalls die mittlere Temperatur TM an. Die Mittel zum Beheizen der Außenfläche 4 erwirken eine Erwärmung der Außenfläche 4 auf die Temperatur TA, die, wie in der Figur 4b dargestellt, nahezu identisch ist mit der Innentemperatur TI.
  • In der Figur 4c ist ein weiterer Zeitpunkt t = t2 dargestellt. Die Innentemperatur TI ist um einen gewissen Betrag höher geworden. Ebenfalls ist die Außentemperatur TA höher geworden als auch die mittlere Temperatur TM. Die in Figur 4d dargestellte Temperaturcharakteristik soll den Temperaturverlauf im Wesentlichen nach dem Kaltstart darstellen. Deutlich ist zu sehen, dass die Innentemperatur TI, die mittlere Temperatur TM als auch die Außentemperatur TA nahezu im thermischen Gleichgewicht sind. Mit anderen Worten, stationär stellt sich die Temperaturverteilung wie in Figur 4d beschrieben ein, da um die Mittel 6 zur Beheizung eine Isolierung 11 angebracht ist.
  • Das Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse kann für eine Dampfturbine, für ein Ventil oder für eine Rohrleitung verwendet werden.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse (3) eines mit einem Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils (3) mit einem Außengehäuse (3), wobei das Außengehäuse (3) eine Außenfläche (4) und eine Innenfläche (5) aufweist,
    wobei Mittel an der Außenfläche (4) zum Beheizen des Außengehäuses (3) angebracht werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während eines Aufwärmvorgangs das Fluid in das Bauteil (3) geleitet und die Innenfläche (5) dadurch erwärmt wird,
    wobei die Außentemperatur der Außenfläche (4) durch das Mittel (6) derart eingestellt wird , dass ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) nicht überschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Mitteltemperatur (TM) eines mittleren Bereiches (13) des Außengehäuses (3) nicht überschritten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und einer Mitteltemperatur (TM) eines mittleren Bereiches (13) des Außengehäuses (4) nicht überschritten wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der vorgebbare Temperaturgradient derart gewählt wird, dass dieser von der Innentemperatur (TI) abhängt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Alarm ausgelöst wird, wenn der Temperaturgradient den vorgebbaren Wert überschreitet.
  6. Regelsystem zur Regelung eines Temperaturverhaltens bei einem ein Außengehäuse (3) umfassenden allgemein zylindrischen Bauteil (3),
    wobei an einer Außenfläche (4) des Außengehäuses (3) Mittel (6) zum Beheizen des Außengehäuses (3) angebracht
    sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Regeleinheit (9) an dem Mittel (6) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist,
    dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  7. Regelsystem nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Regeleinheit (9) derart ausgebildet ist, dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Mitteltemperatur (TM) im mittleren Bereich (13) des Außengehäuses (3) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  8. Regelsystem nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Regeleinheit (9) derart ausgebildet ist, dass ein Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und einer Mitteltemperatur (TM) im mittleren Bereich (13) des Außengehäuses (3) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
  9. Regelsystem nach Anspruch 6, 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Mittel (6) zum Messen der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) vorgesehen sind.
  10. _Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Mittel (6) zum Messen der Mitteltemperatur (TM) des mittleren Bereiches (13) vorgesehen sind.
  11. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8 , 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mittlere Bereich (13) zwischen der Innenfläche (5) und der Außenfläche (4) des Außengehäuses (3) liegt.
  12. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses eine elektrische Heizung umfasst.
  13. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Mittel (6) zum Beheizen des Außengehäuses (3) ein Heizfluid in einer an der Außenfläche (4) angebrachten Anordnung umfasst.
  14. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche 6 bis 13 für eine Dampfturbine (1).
  15. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche
    6 bis 13 für ein Ventil (14).
  16. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche 6 bis 13 für eine Rohrleitung (2).
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