EP2598723A1 - Schnellstartvorrichtung für eine turbine, sowie verfahren zum betreiben einer schnellstartvorrichtung - Google Patents

Schnellstartvorrichtung für eine turbine, sowie verfahren zum betreiben einer schnellstartvorrichtung

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EP2598723A1
EP2598723A1 EP11749813.9A EP11749813A EP2598723A1 EP 2598723 A1 EP2598723 A1 EP 2598723A1 EP 11749813 A EP11749813 A EP 11749813A EP 2598723 A1 EP2598723 A1 EP 2598723A1
Authority
EP
European Patent Office
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turbine
quick
compressor
pump
energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11749813.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Haje
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2598723A1 publication Critical patent/EP2598723A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a quick-start device for a turbine, in particular a steam turbine, according to claim 1, and to a method for operating a quick-starting device for a turbine according to claim 8.
  • Turbines are usually used to convert the kinetic energy or the rotational energy of the turbine into electrical energy.
  • the turbine is connected to a generator which provides the electric current.
  • the generator usually generates an alternating current.
  • the electric current fed to an electrical network who can ⁇ the AC must have a corresponding to the mains frequency.
  • the turbine must reach a certain rated speed, also called the synchronization number.
  • the speed is initially lower than the nominal or synchronization speed required.
  • no electric current can be fed into the electrical network when starting the turbine yet. For this reason, it is desirable for the turbine to be able to reach the nominal or synchronizing speed as quickly as possible.
  • Another negative effect is that, to start the turbine, energy is first required that can not be used to generate electrical energy. It is therefore desirable to keep the energy required for starting the turbine as low as possible.
  • the invention is achieved with respect to the quick-start device by the independent claim 1.
  • the invention is solved by the features of independent claim 8.
  • the quick-start device according to the invention for a Turbi ⁇ ne in particular a steam turbine, comprising at least egg ⁇ NEN energy storage, is characterized in that is converted motion ⁇ energy during operation and / or expiry of the turbine and stored in the energy storage and this stored energy to Starting the turbine used again, that is released.
  • part of the kinetic energy is thus not released to the generator, but is already stored in an energy store for the restart of the turbine.
  • Particular advantages result if the BEWE ⁇ supply energy gespei- during the discharge process of the turbine is chert. While the expiration of the turbine, the Turbi ⁇ ne is already disconnected from the electrical grid and produces kei ⁇ nen electricity more. The kinetic energy would thus not be used during the expiry.
  • By order ⁇ conversion and storage of residual energy particularly efficient start of the turbine can be done.
  • the energy storage is a pressure accumulator for storing fluid under pressure.
  • the kinetic energy of the turbine is thus converted into a pressure energy and stored as such.
  • the storage can be done in a simple accumulator.
  • the pressurized fluid in particular, air or other gases are suitable. But it can also be used in conjunction with a hydraulic fluid liquids.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the fluid is compressed by means of a pump or a compres- sor ⁇ sors and fed to the pressure accumulator.
  • the compression by means of pump or compressor is particularly simple and economical.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the pump or the compressor medium or unmit ⁇ telbar with a rotor shaft of the turbine is connectable.
  • the turbine can directly drive the pump or the compressor, resulting in only small losses and thus a high efficiency.
  • a further particularly advantageous embodiment of the dung OF INVENTION ⁇ provides that the connection between the turbine and the pump or the compressor by means of a switchable clutch, which is arranged between the rotor shaft and the pump or of the compressor takes place. Due to the switchable coupling, the pump or the compressor can be disengaged in cases where it is not operated, that is during normal operation of the turbine. Thus, the connection is made only when the pump or the compressor is needed. In this way, energy losses due to the operation of the pump or compressor can be avoided ⁇ ver.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the inflow and outflow of the pressurized Flu ⁇ ids is in or out of the accumulator by means of at least one valve control and controllable.
  • the inflow and outflow of the fluid is controlled on the one hand, to the walls ⁇ ren also the amount can be controlled in a simple manner in each case and flows out or controlled.
  • the control or regulation of the valve can be done via simple control and regulating elements. As valve all common valve types ⁇ be considered.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the pump or the compressor can be operated in opposite directions, so that by the relaxation of the pressurized fluid, the pump or the compressor can be operated as a working ⁇ machine for driving the rotor shaft. This can versichtet on additional components or machines, which in turn converts the pressure energy in motion ⁇ energy, thereby starting the turbine made ⁇ union. Because of this particularly simple structure of
  • switchable coupling can be connected to the rotor shaft of a turbine and which works in reversible operation as a working machine, -
  • valve for controlling and / or regulating the inflow and outflow of the pressurized fluid into or out of the accumulator
  • the method according to the invention uses the previously unused kinetic energy when the turbine is running to stop the turbine in order to store this energy and release it again later to start the turbine.
  • the process is thus particularly economical, since this energy would otherwise remain unused.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the compressed fluid also serves for the provision of energy during a ventilation operation of the turbine.
  • An advantageous embodiment of the method in which the turbine generates electrical current during operation and feeds into a network provides that the engaging the schaltba ⁇ ren clutch takes place only after the turbine is disconnected from the power grid. This will reduce the turbine's performance in terms of drove not affected and only the energy vomit ⁇ chert would otherwise be lost.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the engaging the switchable clutch, takes a predetermined time before the take of the network of the turbine.
  • the predetermined time is determined so that losses in Kompri ⁇ ming of the fluid and the possibly necessary energy for the ventilation operation of the turbine can be compensated.
  • the early engagement of the shiftable clutch thus ensures that there is enough energy to bring the turbine to the required speed with the stored energy during the quick start alone. An additional entry of energy is therefore no longer necessary.
  • a further preferred embodiment of the invention provides that the take bring the switchable clutch when reaching a rated speed / synchronous speed.
  • the OF INVENTION ⁇ dung modern quick-start device for a turbine and to ⁇ particular for a steam turbine, through the conversion and storage of kinetic energy in an energy storage and released at the start energy from the energy store, ensures a quick start operation which is additionally energetically favorable, since the stored energy is preferably stored when the turbine is running out, and Thus, only or at least to a large extent energy is converted, which would otherwise remain unused.
  • the method according to the invention for operating such a quick-start device can be realized as described with few components.
  • the quick-start device as well as the method for operating the quick-start device, is particularly suitable for turbines that have to be frequently started and stopped. This is particularly thought of steam turbines, which are used in solar thermal power plants. In principle, however, the quick-start device and the method for operating such a quick-start device are suitable for any type of turbines, although the usefulness of a frequent starting and stopping of the turbine is significantly greater.
  • a turbine system with a quick start ⁇ device for starting a turbine is shown.
  • the turbine 1 is a schematically illustrated turbine, for example, a steam turbine, which is connected via a shaft 4 with a generator G.
  • the Turbi ⁇ ne 1 drives the generator G, which generates an alternating current and this fed into a not-shown electrical power ⁇ network.
  • the steam turbine 1 can be used in particular for Verwen ⁇ tion in a solar thermal system. In such a system, the solar energy is used in a
  • the quick-starting device consists essentially of a pump 3a and a compressor 3b, which is connectable or detachable via a switchable coupling 5 with the rotor shaft 4 of the tur ⁇ bine 1.
  • the pump 3a and the compressor 3b suck a fluid from a fluid reservoir 7, this may also be the environment, and compress the fluid.
  • the fluid is supplied via a valve 6 to the pressure accumulator 2.
  • the valve 6 ensures that the pressurized fluid can not escape from the pressure accumulator 2 during storage.
  • the fluid is particularly suitable air that can be sucked from the environment. Furthermore, all other gaseous and liquid fluids are also suitable.
  • the pump 3a and the compressor 3b can be operated in opposite directions, so that by relaxing the pressurized fluid, the pump 3a and the compressor 3b can be operated as a working machine 3c. It transmits a force on the coupling 5 on the Ro ⁇ torwelle 4 of the turbine 1 and thus puts the turbine in rotation.
  • the method for operating the quick-start device for the turbine 1 is to be ⁇ tert below with reference to FIG short erläu.
  • the turbine 1 is in normal operation. Since ⁇ transfers their kinetic energy to the generator G, which generates a direct current and feeds it into an electrical network.
  • the coupling 5, which provides for a connection between see the pump 3a and the compressor 3b and the rotor shaft 4 of the turbine 1, is located in Ausgriff. That is, there is no power transmission from the rotor shaft 4 to the pump 3a and the compressor 3b instead.
  • the pump 3a or the compressor 3b stand still. This avoids that these run along during the entire operation and thus unnecessarily require energy that would be lacking to generate the elec ⁇ tic current then.
  • the clutch 5 is brought into engagement.
  • kinetic energy is emitted from the turbine 1, via the rotor 4 of the turbine 1, to the pump 3a or the compressor 3b.
  • This sucks now fluid, compresses it and transports the fluid in the pressure ⁇ memory 2.
  • the compressed fluid can be stored.
  • a valve 6 or other suitable measures must be used to prevent unintentionally pressurized fluid from escaping from the accumulator 2.
  • the valve 6 is designed such that it only lets fluid through in one direction only depending on the operating state.
  • the pump or the Com ⁇ pressor 3a, 3b comes to a standstill, so that no further fluid is compressed.
  • the stored and compressed in the pressure accumulator 2 fluid is stored until the start of the turbine 1 takes place.
  • the pump 3a or the compressor 3b is now operated in opposite directions, so that the pump 3a and the compressor 3b as a working machine 3c processing ⁇ Tet.
  • the pump 3a or the compressor 3b is placed in Rota ⁇ tion and transmits the rotational energy via the coupling 5 and the rotor shaft 4 of the turbine 1 to the turbine 1. This begins to rotate.
  • the clutch 5 can be brought into play and the normal turbine operation takes place, in which the turbine 1 again the Rotati ⁇ onsenergy to the generator G emits.
  • the point in time when the clutch 5 is brought into engagement with the running out of the turbine 1 and when the take-off takes place during the starting process depends on various factors and inter alia also depends on one another.
  • the energy is stored in the pressure accumulator 2, not sufficient to bring the turbine 1 back to its nominal or synchronization speed, since the energy due to the losses in the Energy ⁇ conversion and the storage is less than the introduced or discharged from the turbine 1 energy.
  • Star ⁇ th is therefore an additional energy that must be brought from the outside, ⁇ necessary.
  • the application of the schaltba ⁇ ren clutch 5 should be done in this case at the latest when the accumulator is completely emptied.
  • the clutch 5 To bring the turbine 1 exclusively with the stored energy to the nominal or synchronization speed, the clutch 5 must be brought into engagement before the actual shutdown of the turbine 1.
  • the date is to be chosen to be at least considered the energy losses in order ⁇ conversion and storage of energy and compensated from ⁇ . In the event that a ventilation operation of the turbine is to take place during the night, the energy required for this purpose must additionally be taken into account.
  • the quick-start device and the method for operating the quick-start device bring advantages especially where the turbine is to be started and stopped very frequently.
  • the quick start method and the device are suitable for all types of turbines.
  • As fluid also all fluids, that is, both gaseous and liquid fluids can be used. Air is particularly recommended because it can be sucked from the surrounding environment ⁇ and released again without the additional fluid storage would be necessary.
  • On the switchable coupling 5 can be waived under certain circumstances, if you want to take the energy losses due to the running of the Pum ⁇ pe or the compressor in purchasing.
  • the control and regulation of the quick-start device can be done manually or automatically. With automatic control of the quick-start device, additional borrowed a measuring and Regelanstrom necessary that monitors the procedural ⁇ ren accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnellstartvorrichtung für eine Turbine (1), insbesondere eine Dampfturbine, umfassend wenigstens einen Energiespeicher (2), die während des Betriebes und/oder des Auslaufens der Turbine (1) Bewegungsenergie umwandelt und im Energiespeicher (2) speichert und die gespeicherte Energie zum Starten der Turbine (1) wieder freigibt. Die Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Schnellstartvorrichtung für eine Turbine (1).

Description

Beschreibung
Schnellstartvorrichtung für eine Turbine, sowie Verfahren zum Betreiben einer Schnellstartvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schnellstartvorrichtung für eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, nach Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schnellstartvorrichtung für eine Turbine nach Patentanspruch 8.
Turbinen werden in der Regel dazu genutzt, die Bewegungsenergie bzw. die Rotationsenergie der Turbine in elektrische Energie umzuwandeln. Hierzu wird die Turbine an einen Genera¬ tor angeschlossen, der den elektrischen Strom bereitstellt. Der Generator erzeugt üblicherweise einen Wechselstrom. Damit der elektrische Strom in ein elektrisches Netz gespeist wer¬ den kann, muss der Wechselstrom eine dem Netz entsprechende Frequenz aufweisen. Hierzu muss die Turbine eine bestimmte Nenndrehzahl, auch Synchronisationszahl genannt, erreichen. Beim Start einer Turbine ist die Drehzahl zunächst geringer als die Nenn- bzw. Synchronisationsdrehzahl die erforderlich ist. Hierdurch kann beim Anfahren der Turbine noch kein elektrischer Strom in das elektrische Netz gespeist werden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass die Turbine mög- liehst schnell die Nenn- bzw. Synchronisationsdrehzahl erreicht. Bei Turbinen die über eine lange Zeit ohne angehalten zu werden durchlaufen, spielt dieser Effekt nur eine untergeordnete Rolle. Anders sieht dies aus bei Turbinen die täglich neu angefahren werden müssen. Hierzu zählen insbesondere Dampfturbinen die mit Solarkraft betrieben werden. Bei dieser Art von Dampfturbine wird die Sonnenenergie genutzt um den Dampf zum Betreiben der Dampfturbine bereitzustellen. Damit steht jedoch nur dann Dampf zur Verfügung, wenn die Sonnenenergie ausreicht, um den entsprechenden Dampf zu erzeugen. Während der Nacht kann die Dampfturbine somit nicht betrieben werden, so dass ein tägliches Anfahren der Turbine notwendig ist. In einem solchen Fall spielt die Anfahrzeit der Turbine eine deutlich größere Rolle und ein schnelles Anfahren der Turbine ist wünschenswert.
Ein weiterer negativer Effekt ist, dass zum Anfahren der Turbine zunächst Energie benötigt wird, die nicht zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Wünschenswert ist es daher, den Energiebedarf zum Anfahren der Turbine möglichst gering zu halten.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Problemen ist es Aufga- be der vorliegenden Erfindung, eine Schnellstartvorrichtung für eine Turbine bereitzustellen, die einen schnellen und energetisch günstigen Start der Turbine ermöglicht. Weiter ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schnellstartvorrichtung bereitzustel- len.
Die Erfindung wird hinsichtlich der Schnellstartvorrichtung durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben der Schnellstartvorrichtung wird die Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetz- bar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Schnellstartvorrichtung für eine Turbi¬ ne, insbesondere eine Dampfturbine, umfassend wenigstens ei¬ nen Energiespeicher, zeichnet sich dadurch aus, dass während des Betriebs und/oder des Auslaufens der Turbine Bewegungs¬ energie umgewandelt und im Energiespeicher gespeichert wird und diese gespeicherte Energie zum Starten der Turbine wieder genutzt, das heißt freigegeben wird. Während des Betriebs bzw. des Auslaufen der Turbine wird somit ein Teil der Bewe- gungsenergie nicht an den Generator abgegeben, sondern bereits für den Neustart der Turbine in einen Energiespeicher gespeichert. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Bewe¬ gungsenergie während des AuslaufVorgangs der Turbine gespei- chert wird. Während des Auslaufens der Turbine ist die Turbi¬ ne bereits vom elektrischen Netz getrennt und produziert kei¬ nen elektrischen Strom mehr. Die Bewegungsenergie würde somit während des Auslaufens nicht weiter genutzt. Durch die Um¬ wandlung und Speicherung dieser Restenergie kann ein besonders effizientes Starten der Turbine erfolgen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher ein Druckspeicher zum Speichern von unter Druck stehenden Fluid ist. Die Bewegungsenergie der Turbine wird somit in eine Druckenergie umgewandelt und als solche gespeichert. Die Speicherung kann dabei in einem einfachen Druckspeicher erfolgen. Als Druckfluid eignen sich insbesondere Luft oder andere Gase. Es können aber auch Flüssigkeiten in Verbindung mit einem hydraulischen Speicher verwendet werden .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Fluid mittels einer Pumpe oder eines Kompres¬ sors verdichtet und dem Druckspeicher zugeführt wird. Die Verdichtung mittels Pumpe oder Kompressor ist besonders einfach und wirtschaftlich. Als Pumpe oder Kompressor können handelsübliche Geräte verwendet werden, an die keine besonde¬ ren Ansprüche gestellt sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Pumpe oder der Kompressor mittel- oder unmit¬ telbar mit einer Rotorwelle der Turbine verbindbar ist. Hierdurch kann die Turbine direkt die Pumpe bzw. den Kompressor antreiben wodurch sich nur geringe Verluste und damit ein ho¬ her Wirkungsgrad ergibt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin¬ dung sieht vor, dass die Verbindung zwischen der Turbine und der Pumpe bzw. dem Kompressor mittels einer schaltbaren Kupplung, welche zwischen der Rotorwelle und der Pumpe bzw. des Kompressors angeordnet ist, erfolgt. Durch die schaltbare Kupplung kann die Pumpe bzw. der Kompressor außer Eingriff genommen werden, in Fällen, in denen er nicht betrieben wird, das heißt während des normalen Betriebes der Turbine. Somit wird die Verbindung nur dann hergestellt, wenn die Pumpe oder der Kompressor benötigt werden. Hierdurch werden Energieverluste durch das Betreiben der Pumpe bzw. des Kompressors ver¬ mieden .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zu- und Abfluss des unter Druck stehenden Flu¬ ids in bzw. aus dem Druckspeicher mittels wenigstens eines Ventils Steuer- und regelbar ist. Durch das Ventil wird zum einen das Ein- und Ausströmen des Fluids geregelt, zum ande¬ ren kann auch die Menge die jeweils ein und ausströmt auf einfache Weise gesteuert bzw. geregelt werden. Die Steuerung oder Regelung des Ventils kann über einfache Steuer- und Regelelemente erfolgen. Als Ventil kommen alle üblichen Ventil¬ arten in Betracht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Pumpe bzw. der Kompressor gegenläufig betrieben werden kann, so dass durch die Entspannung des unter Druck stehenden Fluids, die Pumpe bzw. der Kompressor als Arbeits¬ maschine zum Antreiben der Rotorwelle betrieben werden kann. Hierdurch kann auf zusätzlichen Bauteile oder Maschinen versichtet werden, die die Druckenergie wiederum in Bewegungs¬ energie umwandelt, um damit das Starten der Turbine zu ermög¬ lichen. Aufgrund dieses besonders einfachen Aufbaus der
Schnellstartvorrichtung reduzieren sich die Kosten für die Anlage erheblich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer
Schnellstartvorrichtung für eine Turbine umfassend wenigs¬ tens :
- eine Pumpe oder einen Kompressor, die/der über eine
schaltbare Kupplung mit der Rotorwelle einer Turbine verbindbar ist und die/der im reversiblen Betrieb als Arbeitsmaschine arbeitet, - einen Druckspeicher zum Speichern von unter Druck stehenden Fluid, sowie
- ein Ventil zum Steuern und/oder Regeln des Zu- und Abflusses des unter Druck stehenden Fluids in oder aus dem Druckspeicher,
zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- in Eingriffbringen der schaltbaren Kupplung, so dass eine wirkvolle Verbindung zwischen der Turbine und der Pumpe bzw. dem Kompressor erfolgt,
- Komprimieren eines Fluids und Speichern des komprimierten Fluids im Druckspeicher,
- Auslaufen/Anhalten der Turbine,
- Entspannen des komprimierten Fluids über die Pumpe bzw. den Kompressor, so dass diese/dieser als Arbeitsmaschine arbeitet und die Rotorwelle der Turbine in Drehung ver¬ setzt,
- Schaltbare Kupplung beim Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl der Turbine in Ausgriff bringen und so die Wirkverbindung zwischen der Turbine und der Pumpe bzw. des Kompressors lösen.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei die bislang unge¬ nutzte Bewegungsenergie beim Auslaufen der Turbine bis zum Anhalten der Turbine, um diese Energie zu Speichern und sie später zum Starten der Turbine wieder freizugeben. Das Verfahren ist somit besonders wirtschaftlich, da diese Energie sonst ungenutzt bliebe.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass das komprimierte Fluid auch zur Energiebereitstellung während eines Ventilationsbetriebs der Turbine dient.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens bei dem die Turbine im Betrieb elektrischen Strom erzeugt und in ein Netz speist, sieht vor, dass das in Eingriff bringen der schaltba¬ ren Kupplung erst erfolgt, nachdem die Turbine vom Stromnetz getrennt ist. Hierdurch wird die Leistung der Turbine im Be- trieb nicht beeinträchtigt und lediglich die Energie gespei¬ chert die ansonsten verloren ginge.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das in Eingriff bringen der schaltbaren Kupplung, eine vorbestimmte Zeit vor dem vom netz nehmen der Turbine erfolgt. Erfindungsgemäß bevorzugt wird die vorbestimmte Zeit so bestimmt, dass Verluste beim Kompri¬ mieren des Fluids und die eventuell notwendige Energie für den Ventilationsbetrieb der Turbine kompensiert werden. Das frühzeitige in Eingriffbringen der schaltbaren Kupplung sorgt somit dafür, dass genügend Energie vorhanden ist, um während des Schnellstarts die Turbine allein mit der gespeicherten Energie auf die notwendige Drehzahl zu bringen. Ein zusätzli- eher Eintrag von Energie ist somit nicht mehr notwendig.
Falls die Turbine erst eingeschaltet wird, wenn die Turbine vom netz genommen wird, wird zusätzliche Energie zum Starten der Turbine benötigt, da mit der Speicherung ein Verlust der speicherbaren Energie einhergeht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das in Ausgriff bringen der schaltbaren Kupplung beim erreichen einer Nenndrehzahl/Synchrondrehzahl erfolgt. Durch das in Ausgriff bringen der schaltbaren Kupplung beim erreichen der Nenn- bzw. Synchrondrehzahl läuft die Pumpe bzw. der Kompressor während des normalen Betriebes der Turbine nicht mit und sorgt somit nicht für zusätzliche Energie¬ verluste . Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass die erfin¬ dungsgemäße Schnellstartvorrichtung für eine Turbine und ins¬ besondere für eine Dampfturbine, durch die Umwandlung und Speicherung der Bewegungsenergie in einem Energiespeicher und die beim Starten freigegebene Energie aus dem Energiespei- eher, einen schnellen Startvorgang gewährleistet, der zusätzlich energetisch günstig ist, da die gespeicherte Energie vorzugsweise beim Auslaufen der Turbine gespeichert wird und somit lediglich oder zumindest zu einem Großteil Energie um¬ gewandelt wird, die ansonsten ungenutzt bliebe.
Das erfindungsgemäße Verfahre zum Betreiben einer solchen Schnellstartvorrichtung kann wie beschrieben mit wenigen Bauteilen realisiert werden.
Die Schnellstartvorrichtung, sowie das Verfahren zum Betrieben der Schnellstartvorrichtung, eignet sich insbesondere für Turbine die häufig an und abgefahren werden müssen. Hierbei ist insbesondere an Dampfturbinen zu denken, die in So- larthermie-Kraftwerken eingesetzt werden. Grundsätzlich eignen sich die Schnellstartvorrichtung sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen Schnellstartvorrichtung aber für jeg- liehe Turbinen, allerdings ist der Nutzen bei einem häufigen An- und Abfahrend er Turbine deutlich größer.
Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung wer¬ den im Folgenden anhand der einzigen Zeichnung erläutert.
In der Figur ist eine Turbinenanlage mit einer Schnellstart¬ vorrichtung zum Starten einer Turbine gezeigt. Bei der Turbine 1 handelt es sich um eine schematisch dargestellte Turbine beispielsweise eine Dampfturbine, die über eine Welle 4 mit einem Generator G verbunden ist. Im Betrieb triebt die Turbi¬ ne 1 den Generator G an, der einen Wechselstrom erzeugt und diesen in ein nicht näher dargestelltes elektrisches Strom¬ netz speist. Die Dampfturbine 1 kann insbesondere zur Verwen¬ dung in einer Solarthermie-Anlage verwendet werden. Bei einer solchen Anlage wird die Sonnenenergie genutzt um in einem
Wärmetauscher Dampf zum Betrieben der Turbine bereitzustellen. Die Solarthermie-Anlage ist hier nicht näher darge¬ stellt. Bei einer solchen Anlage besteht das Problem darin, dass über Nacht keine Sonnenergie zur Verfügung steht und die Dampfturbine damit am Abend abgeschaltet werden muss. Am Mor¬ gen kann dann die Dampfturbine mit den ersten Sonnenstrahlen wieder in Betrieb genommen werden. Dabei wird Energie zum Starten der Dampfturbine benötigt, der dann nicht zur Stro- merzeugung vorhanden ist, und somit kein elektrischer Strom in das elektrische Stromnetz gespeist werden kann.
Um ein schnelles und energetisch günstiges starten der Turbi¬ ne 1 zu ermöglichen ist eine Schnellstartvorrichtung für die Turbine 1 vorgesehen. Die Schnellstartvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Pumpe 3a bzw. einem Kompressor 3b, der über eine schaltbare Kupplung 5 mit der Rotorwelle 4 der Tur¬ bine 1 verbindbar bzw. lösbar ist. Die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b saugen ein Fluid aus einem Fluidspeicher 7, dies kann auch die Umgebung sein, an und verdichten das Fluid. Anschließend wird das Fluid über ein Ventil 6 dem Druckspeicher 2 zugeführt. Das Ventil 6 sorgt dabei dafür, dass das unter Druck stehende Fluid während der Speicherung nicht aus dem Druckspeicher 2 entweichen kann. Als Fluid eignet sich insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt werden kann. Ferner eignet sich auch alle anderen gasförmigen sowie flüssigen Fluide.
Zum Starten der Turbine kann die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b gegenläufig betrieben werden, so dass durch das Entspannen des unter Druck stehenden Fluids die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b als Arbeitsmaschine 3c betrieben werden kann. Dabei überträgt Sie eine Kraft über die Kupplung 5 auf die Ro¬ torwelle 4 der Turbine 1 und versetzt damit die Turbine in Rotation.
Das Verfahren zum Betreiben der Schnellstartvorrichtung für die Turbine 1 soll nachfolgend anhand der Figur kurz erläu¬ tert werden.
Zunächst befindet sich die Turbine 1 im normalen Betrieb. Da¬ bei überträgt sich ihre Bewegungsenergie auf den Generator G, der einen Gleichstrom erzeugt und diesen in ein elektrisches Netz einspeist. Die Kupplung 5, die für eine Verbindung zwi- sehen der Pumpe 3a bzw. dem Kompressor 3b und der Rotorwelle 4 der Turbine 1 sorgt, befindet sich dabei in Ausgriff. Das heißt, es findet keine Kraftübertragung von der Rotorwelle 4 auf die Pumpe 3a bzw. dem Kompressor 3b statt. Die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b stehen still. Hierdurch wird vermieden, dass diese während des gesamten Betriebes mitlaufen und somit unnötig Energie benötigen, die zur Erzeugung des elekt¬ rischen Stroms dann fehlen würde.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt, der kurz vor oder während des Abschaltvorgangs der Turbine liegen kann, wird die Kupplung 5 in Eingriff gebracht. Hierdurch wird Bewegungsenergie von der Turbine 1, über den Rotor 4 der Turbine 1, an die Pumpe 3a bzw. den Kompressor 3b abgegeben. Dieser saugt nun Fluid an, verdichtet dieses und transportiert das Fluid in den Druck¬ speicher 2. Im Druckspeicher 2 kann das komprimierte Fluid gespeichert werden. Über ein Ventil 6 oder andere geeignete Maßnahmen ist dabei zu verhindern, dass ungewollt unter Druck stehendes Fluid wieder aus dem Druckspeicher 2 entweichen kann. Das Ventil 6 ist so ausgebildet, dass es Flüssigkeit nur in Abhängigkeit vom Betriebszustand jeweils nur in eine Richtung durchlässt. Nachdem die Turbine vollständig zum Stillstand gekommen ist, kommt auch die Pumpe bzw. der Kom¬ pressor 3a, 3b zum Stillstand, so dass kein weiteres Fluid verdichtet wird. Das im Druckspeicher 2 gespeicherte und komprimierte Fluid wird solange gespeichert, bis der Start der Turbine 1 erfolgt. Beim Startvorgang wird das Ventil 6 derart geschaltet, dass das unter Druck stehende Fluid aus dem Druckspeicher 2 austreten kann. Die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b wird nun gegenläufig betrieben, so dass die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b als Arbeitsmaschine 3c arbei¬ tet. Dabei wird die Pumpe 3a bzw. der Kompressor 3b in Rota¬ tion versetzt und überträgt die Rotationsenergie über die Kupplung 5 und die Rotorwelle 4 der Turbine 1 auf die Turbine 1. Diese beginnt zu rotieren. Sobald die Turbine 1 ihren Nenn- bzw. Synchronisationsdrehzahl erreicht hat, kann die Kupplung 5 in Ausgriff gebracht werden und der normale Turbinenbetrieb erfolgt, bei dem die Turbine 1 wieder die Rotati¬ onsenergie an den Generator G abgibt.
Der Zeitpunkt wann die Kupplung 5 beim Auslaufen der Turbine 1 in Eingriff gebracht wird und wann der Ausgriff während des Startvorgangs erfolgt, hängt von verschiedenen Faktoren ab und ist unter anderem auch voneinander abhängig. Für den Fall, dass die Kupplung 5 erst beim Herunterfahren der Turbi¬ ne 1 in Eingriff gebracht wird, reicht die Energie die im Druckspeicher 2 gespeichert wird, nicht aus, um die Turbine 1 wieder auf ihren Nenn- bzw. Synchronisationsdrehzahl zu bringen, da die Energie aufgrund der Verluste bei der Energieum¬ wandlung und der Speicherung geringer ist, als die eingebrachte bzw. von der Turbine 1 abgegebene Energie. Zum Star¬ ten ist deshalb eine zusätzliche Energie, die von außen auf¬ gebracht werden muss, notwendig. Das Ausbringen der schaltba¬ ren Kupplung 5 sollte in diesem Fall spätestens dann erfolgen wenn der Druckspeicher vollständig entleert ist.
Um die Turbine 1 ausschließlich mit der gespeicherten Energie auf die Nenn- bzw. Synchronisationsdrehzahl zu bringen, muss die Kupplung 5 vor dem eigentlichen Ausschaltvorgang der Turbine 1 in Eingriff gebracht werden. Der Zeitpunkt ist dabei so zu wählen, dass zumindest die Energieverluste bei der Um¬ wandlung und Speicherung der Energie berücksichtigt und aus¬ geglichen werden. Für den Fall, dass während der Nacht ein Ventilationsbetrieb der Turbine erfolgen soll, ist zusätzlich die hierzu erforderliche Energie zu berücksichtigen.
Die beschriebene Schnellstartvorrichtung sowie das Verfahren zum Betreiben der Schnellstartvorrichtung bringen vor allem dort Vorteile, wo die Turbine sehr häufig an und wieder he¬ runtergefahren werden soll. Grundsätzlich eignen sich das Schnellstartverfahren sowie die Vorrichtung für alle Arten von Turbinen. Als Fluid können ebenfalls alle Fluide, das heißt sowohl gasförmige als auch flüssige Fluide, verwendet werden. Luft bietet sich insbesondere an, da es aus der Umge¬ bung angesaugt und auch wieder abgegeben werden kann, ohne das zusätzliche Fluidspeicher notwendig wären. Auf die schaltbare Kupplung 5 kann unter Umständen verzichtet werden, wenn man die Energieverluste aufgrund des Mitlaufens der Pum¬ pe bzw. des Kompressors in Kauf nehmen möchte.
Die Steuerung und Regelung der Schnellstartvorrichtung kann manuell oder automatisch erfolgen. Bei einer automatischen Steuer- und Regelung der Schnellstartvorrichtung ist zusätz- lieh eine Mess- und Regelananlage notwendig, die das Verfah¬ ren entsprechend überwacht.

Claims

Patentansprüche
1. Schnellstartvorrichtung für eine Turbine (1), insbesondere eine Dampfturbine, umfassend wenigstens einen Energiespeicher (2), die während des Betriebs und/ oder des Auslaufens der
Turbine (1) Bewegungsenergie umwandelt und im Energiespeicher (2) speichert und die gespeicherte Energie zum Starten der Turbine (1) wieder frei gibt.
2. Schnellstartvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher (2) ein Druckspeicher (2) zum speichern von unter Druck stehendem Fluid ist.
3. Schnellstartvorrichtung nach Anspruch2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid mittels einer Pumpe (3a) oder eines Kompressors (3b) verdichtet und dem Druckspeicher (2) zugeführt wird.
4. Schnellstartvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pumpe (3a) oder der Kompressor (3b) mittelbar oder unmittelbar mit einer Rotorwelle (4) der Turbine (1) verbindbar ist .
5. Schnellstartvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung mittels einer schaltbaren Kupplung (5), welche zwischen der Rotorwelle (4) und der Pumpe (3a) bzw. des Kom- pressors (3b) angeordnet ist, erfolgt.
6. Schnellstartvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu- und Abfluss des unter Druck stehenden Fluides in bzw. aus dem Druckspeicher (2), mittels eines Ventils (6) Steuer- und/ oder regelbar ist.
7. Schnellstartvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (3a) bzw. der Kompressor (3b) gegenläufig betrieben werden kann, so dass durch die Entspannung des unter Druck stehenden Fluides, die Pumpe (3a) bzw. der Kompressor (3b) als Arbeitsmaschine (3c) zum Antreiben der Rotorwelle (4) be- trieben werden kann.
8. Verfahren zum Betreiben einer Schnellstartvorrichtung für eine Turbine (1), umfassend wenigstens
- eine Pumpe (3a) oder einen Kompressor (3b), die/der über eine schaltbare Kupplung (5) mit der Rotorwelle (4) einer
Turbine (1) verbindbar ist und die/der im reversiblen Betrieb als Arbeitsmaschine (3c) arbeitet,
- ein Druckspeicher (2) zum speichern von unter Druck stehendem Fluid, sowie
- ein Ventil (6) zum Steuern und/ oder Regeln des Zu- und Abfluss des unter Druck stehenden Fluides in oder aus dem Druckspeicher (2),
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
in Eingriff bringen der schaltbaren Kupplung (5), so das eine Wirkverbindung zwischen der Turbine (1) und der
Pumpe (3a) bzw. dem Kompressor (3b) erfolgt;
komprimieren eines Fluides und speichern des komprimierten Fluides im Druckspeicher (2);
Auslaufen/ Anhalten der Turbine ( 1 ) ;
- Entspannen des komprimierten Fluides über die Pumpe (3a) bzw. den Kompressor (3b), so dass diese/dieser als Arbeitsmaschine (3c) arbeitet und die Rotorwelle (4) der Turbine (1) in Drehung versetzt;
schaltbare Kupplung (5) beim Erreichen einer vorgegebe- nen Drehzahl der Turbine (1) in Ausgriff bringen und so die Wirkverbindung zwischen der Turbine (1) und der Pumpe (3a) bzw. dem Kompressor (3b) lösen.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das komprimierte Fluid auch zur Energiebereitstellung während eines Ventilationsbetriebs der Turbine (1) dient.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Turbine (1) im Betrieb elektrischen Strom erzeugt und in ein Stromnetz speist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in Eingriff bringen der schaltbaren Kupplung (5) erst erfolgt, nachdem die Turbine (1) vom Stromnetz getrennt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in Eingriff bringen der schaltbaren Kupplung (5), eine vorbestimmte Zeit vor dem vom Netz nehmen der Turbine (1) er¬ folgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vorbestimmte Zeit so bestimmt ist, dass Verluste beim komprimieren des Fluides und die evtl. notwendige Energie für den Ventilationsbetrieb der Turbine (1) kompensiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in Ausgriff bringen der schaltbaren Kupplung (5) beim erreichen einer Nenndrehzahl/ Synchronisationsdrehzahl erfolgt.
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