EP2776684B1 - Verfahren zur steuerung eines abkühlungsprozesses von turbinenkomponenten - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines abkühlungsprozesses von turbinenkomponenten Download PDF

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EP2776684B1
EP2776684B1 EP12788486.4A EP12788486A EP2776684B1 EP 2776684 B1 EP2776684 B1 EP 2776684B1 EP 12788486 A EP12788486 A EP 12788486A EP 2776684 B1 EP2776684 B1 EP 2776684B1
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mist
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    • F05D2260/212—Heat transfer, e.g. cooling by water injection

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a cooling process of turbine components, in particular a steam turbine shaft.
  • Maintenance is associated with turbines and in particular with steam turbines with a high expenditure of time, since the turbine components of the turbine or the steam turbine must first be cooled down before the turbine can be stopped and before the maintenance can be performed.
  • a corresponding cooling of the turbine components is usually accelerated by means of an air flow in order to reduce the time required for the maintenance work to the lowest possible level.
  • the temperature limits the cooling effect of the air flow in such a forced cooling.
  • the object of the invention is to provide an improved method for forced cooling of turbine components.
  • the method is used to control a cooling process of turbine components, in particular a steam turbine shaft, wherein during a mist cooling phase, a mixed with a water mist air flow for cooling the turbine components is being used.
  • a mixed with a water mist air flow for cooling the turbine components is being used.
  • water vapor which is used in the operation of the steam turbine as a working medium
  • aerosol ie a mixture of air and water droplets, which by a phase transition of the water contained in the liquid phase in the gaseous phase heat energy in particular can absorb and transport a high degree.
  • the staggered with the water mist Lurtstrom is therefore not the working medium. It is passed as a further medium for cooling purposes through the turbine.
  • a simple cooling by a forced convection so for example an air cooling
  • an additional boiling or evaporative cooling whereby the effectiveness of cooling is significantly increased with relatively simple means.
  • Such a supplement is particularly advantageous if a cooling system for a simple air cooling is already given, since in this case can be done without great technical effort retrofitting, with only a device is to install, with the help of which generates a water mist and in the Air flow of the air cooling is introduced.
  • the cooling process can be controlled by a temperature range which is larger than that of a simple air cooling, such that a desired time-dependent temperature gradient is set.
  • the mist cooling phase precedes an air-cooling phase, during which only an air flow without water mist is used to cool the turbine components. Accordingly, as required, the cooling of the turbine components is forced either by means of the air flow or by means of the offset with the water mist air flow.
  • a uniform and constant temporal temperature gradient is predetermined for the cooling process. In particular, a temporal temperature gradient of about 5 to 15 K / h is preferred, according to the invention of about 10 K / h.
  • Such a maximum temporal temperature gradient is generally predetermined for a limited temperature range, which is why a plurality of different values can certainly be provided during a cooling process over a very wide temperature range.
  • the cooling process is controlled such that in each respective temperature range of the predetermined temperature gradient is achieved and maintained over the entire temperature range.
  • the current density of the air stream is regulated to specify the temperature gradient during the air-cooling phase, and the amount of water mist added to the air stream is regulated during the mist cooling phase alone.
  • a suitable cooling system for the turbine and in particular a control system for the cooling system can be realized in a particularly technically simple manner. moreover is a corresponding control relatively insensitive to errors, since always only one variable is changed in the context of the control.
  • the current density of the air flow is adjusted via the valve position of a controllable inlet valve.
  • a vacuum is often generated in the steam turbine via a corresponding evacuation device, wherein a pressure gradient between the turbine inlet and the turbine outlet is predetermined.
  • an inlet valve positioned at the turbine inlet with constant operation of the evacuation device with the aid of the ambient air, an air flow can be generated with which the turbine components of the steam turbine can be cooled.
  • the valve position can then be used to regulate the current density of the air flow, ie the amount of air per unit of time.
  • the effectiveness of the cooling depends on the temperature difference between the temperature of the turbine components and the temperature the ambient air used for the airflow. This temperature difference is quite sufficient at the beginning of the cooling process to reach the predetermined maximum temperature gradient and to keep over a certain temperature range with decreasing temperature of the turbine components, however, the effectiveness of the simple air cooling decreases and the inlet valve has to keep the temperature gradient opened more and more be, whereby the current density of the air flow increases.
  • the cooling process is more advanced, then at some point the time is reached at which the valve is fully open and the maximum current density of the air flow is reached. In order to be able to continue to hold the desired and predetermining temperature gradient, from this point on water mist is added to the air flow, the quantity of water mist subsequently being regulated for controlling the cooling process and in particular for specifying the temperature gradient.
  • This is particularly advantageous when steam is used as a working fluid for the turbine and a corresponding conduit system for the steam is given anyway, which allows a passage of the working fluid through the turbine. In this case, it is precisely this line system, depending on the operating mode, either for the management of the working medium or for the management of the cooling medium, ie the air or offset with the water mist air, use.
  • a heat equalization phase precedes the cooling process, in which a temperature equalization of the turbine components with each other takes place primarily by heat conduction. This reduces local temperature differences within the turbine, further reducing the risk of damaging the turbine.
  • a steam-cooling phase is provided at the beginning of the cooling process, while which the working medium, so for example the water vapor, is used to cool the door bark components.
  • the temperature of the working medium is gradually reduced, wherein typically during this cooling phase, the turbine is still in operation, so in particular generates electrical energy.
  • a constant temporal temperature gradient for the cooling process is predetermined, which deviates from the temperature gradient during the air-cooling phase and during the mist-cooling phase, in particular is greater.
  • the water mist is sprayed with demineralised water. This avoids that minerals settle on the turbine components in the evaporation of water droplets from the water mist.
  • demineralized water is used both to produce the water mist and as a working medium. Since demineralized water must be produced with a certain technical effort, the use of demineralized water is especially advantageous if, in any case, corresponding demineralized water is provided as the working medium for the turbine and, accordingly, is available anyway.
  • the method described below is used to control a forced cooling process of turbine components of a steam turbine 2, wherein the control takes place such that as in FIG. 1 represented over a wide temperature range a temporally constant temperature gradient for the cooling process is specified.
  • the specification of the temperature gradient in this case takes place with the aid of a cooling control unit 4 which evaluates sensor data of temperature sensors 6 arranged in the steam turbine 2 and, based thereon, activates a cooling system.
  • the cooling process is subdivided in the exemplary embodiment into four successive phases P1... P4.
  • the temperature of the working medium here water vapor
  • the turbine components of the steam turbine 2 are cooled down with a temperature gradient of about 30 K / h down.
  • the steam turbine 2 continues to generate electrical energy, although the generated electrical energy per unit time is steadily decreasing.
  • the transition from the steam-cooling phase in a heat balance phase P2 occurs.
  • the cooling of the turbine components is interrupted by convection, so that a temperature equalization of the turbine components with each other can be carried out by heat conduction. As a result, larger temperature differences within the steam turbine 2 are to be reduced.
  • the heat balance phase P2 is terminated and an air-cooling phase P3 is started.
  • an air flow is generated, which is passed through the turbine components.
  • the cooling medium is now no water vapor, but an air flow, to generate ambient air is used.
  • the current density of the air flow is steadily increased, so as to specify a temperature gradient of about 10 K / h for the cooling process of the turbine components.
  • the increase in the current density of the air flow in this case the decreasing difference between the temperature of the turbine components and the temperature of the ambient air used for cooling is compensated, so that in the sum of a uniform cooling is enforced.
  • mist cooling phase P4 the fourth and last phase of the cooling process, which is referred to below as the mist cooling phase P4.
  • the air flow for which the maximum possible current density is still maintained, is additionally supplemented with ultrapure-atomized demineralized water.
  • the convection cooling is supplemented by evaporative cooling, which allows maintenance of the desired temperature gradient for the cooling process.
  • the controlled cooling process ends and it typically follows the opening of the steam turbine 2 and in particular the opening of a usually provided Housing. Subsequently, the upcoming maintenance work, for which a shutdown and cooling of the steam turbine 2 is typically carried out, can be made.
  • FIG. 1 illustrated continuous curve, which reproduces the temperature profile of the turbine components in a forced cooling according to the method presented here
  • a deviating temperature profile is shown in dashed lines.
  • This deviating temperature profile of the turbine components is characteristic of a cooling process, in which the cooling is enforced exclusively by means of an air flow without additionally introducing a water mist in the air flow.
  • the temperature range of 100 ° C to 150 ° C, in which typically the maintenance work is started reached much later. Accordingly, the service downtime of the steam turbine 2 during maintenance by the application of the method presented here significantly shortened, allowing a more economical use of the steam turbine 2.
  • FIG. 2 A possible embodiment of a system in which the steam turbine 2 and a cooling device are used to implement the method presented here is in FIG. 2 shown schematically.
  • the system comprises the steam turbine 2 with a high-pressure stage 8, with a medium-pressure stage 10 and with a low-pressure stage 12, a superheater unit 14 interposed between the high-pressure stage 8 and the medium-pressure stage 10, a steam generator 16, a condenser 18 and a line system 20 for the working medium , here demineralized water and corresponding water vapor.
  • Part of the system is also a reservoir 22, with the help of a loss of demineralized water, if necessary, can be compensated.
  • the system has the cooling control unit 4, which preferably part of a central control unit of the system is.
  • the cooling control unit 4 first controls the steam generator 16 and the superheater unit 14, so that the temperature of the evaporated demineralized water, which is passed through the pressure stages 8, 10, 12, gradually decreases , In this way, the steam-cooling phase P1 is implemented.
  • two check valves 24 and two control valves 26 are closed by each one in a supply line of the line system 20 to the high-pressure stage 8 and by each one in a supply line of the line system 20 to the medium-pressure stage 10, thereby cooling by convection is prevented. Instead, a temperature compensation takes place by heat conduction within the pressure stages 8, 10, 12 instead. Meanwhile, the two supply lines are opened in each case via a flange F to the environment.
  • the control valves 26 are gradually opened, so that ambient air in each case via an opening 28 in the supply lines of the line system 20 can flow to the pressure stages 8,10,12.
  • a negative pressure is predetermined in the condenser 18 by means of a corresponding, but not explicitly shown, evacuation device, so that in this way ambient air flows in at the openings 28 and flows through the pressure stages 8, 10, 12.
  • the current density of the air flow is set by the respective pressure stage 8,10,12 on the valve position of the control valves 26.
  • P4 demineralized water is additionally mixed from the reservoir 22 by means of spraying devices 30 in the used for cooling air flow, so that in the sequence with a fine atomized demineralized water staggered air flow through the pressure stages 8, 10, 12 for cooling the same is conducted.
  • the current density of the air flow is kept constant and only the amount of demineralized water which is added to the air flow, varies until the pressure stages 8,10,12 are cooled down to the desired temperature.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abkühlungsprozesses von Turbinenkomponenten, insbesondere einer Dampfturbinenwelle.
  • Wartungsarbeiten sind bei Turbinen und insbesondere bei Dampfturbinen mit einem hohen Zeitaufwand verbunden, da die Turbinenkomponenten der Turbine bzw. der Dampfturbine zunächst herunter gekühlt werden müssen, bevor die Turbine angehalten werden kann und bevor die Wartungsarbeiten durchgeführt werden können.
  • Eine entsprechende Abkühlung der Turbinenkomponenten wird hierbei üblicherweise mit Hilfe eines Luftstromes beschleunigt, um die benötigte Zeit für die Wartungsarbeiten auf ein möglichst geringes Maß zu reduzieren. Zur Generierung des Luftstromes wird dabei Umgebungsluft genutzt, deren Temperatur die Kühlwirkung des Luftstromes bei einer derartigen Zwangskühlung beschränkt.
  • Die Dokumente DE 23 07 887 A1 , EP 2 365 197 A1 und US 5,388,960 A beschreiben jeweils ein Verfahren zum Abkühlen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Zwangskühlung von Turbinenkomponenten anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das Verfahren dient zur Steuerung eines Abkühlungsprozesses von Turbinenkomponenten, insbesondere einer Dampfturbinenwelle, wobei während einer Nebel-Kühlungsphase ein mit einem Wassernebel versetzter Luftstrom zur Kühlung der Turbinenkomponenten genutzt wird. Im Gegensatz zu Wasserdampf, der im Betrieb der Dampfturbine als Arbeitsmedium eingesetzt wird, handelt es sich bei dem Wassernebel um ein Aerosol, also ein Gemisch aus Luft und Wassertröpfchen, welches durch einen Phasenübergang des enthaltenen Wassers von der flüssigen in die gasförmige Phase Wärmeenergie in besonders hohem Maße aufnehmen und abtransportieren kann. Bei dem mit dem Wassernebel versetzten Lurtstrom handelt es sich daher nicht um das Arbeitsmedium. Es wird als weiteres Medium zu Kühl-Zwecken durch die Turbine geführt. Auf diese Weise wird eine einfache Kühlung durch eine erzwungene Konvektion, also beispielsweise eine Luftkühlung, ergänzt durch eine zusätzliche Siede- oder Verdampfungskühlung wodurch die Effektivität der Kühlung mit relativ einfachen Mitteln signifikant erhöht wird. Eine derartige Ergänzung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Kühlsystem für eine einfache Luftkühlung bereits gegeben ist, da in diesem Fall ohne großen technischen Aufwand eine Nachrüstung erfolgen kann, wobei lediglich eine Vorrichtung zu installieren ist, mit deren Hilfe ein Wassernebel generiert und in den Luftstrom der Luftkühlung eingebracht wird. Durch die Kombination einer einfachen Luftkühlung mit einer Siedekühlung lässt sich der Abkühlungsprozess über einen im Vergleich zu einer einfachen Luftkühlung vergrößerten Temperaturbereich derart steuern, dass ein gewünschter zeitabhängiger Temperaturgradient vorgeben wird.
  • Erfindungsgemäß ist der Abkühlungsprozess mehrstufig gestaltet, wobei der Nebel-Kühlungsphase eine Luft-Kühlungsphase vorausgeht, während derer lediglich ein Luftstrom ohne Wassernebel zur Kühlung der Turbinenkomponenten genutzt wird. Dementsprechend wird je nach Bedarf die Kühlung der Turbinenkomponenten entweder mit Hilfe des Luftstromes oder aber mit Hilfe des mit dem Wassernebel versetzten Luftstromes erzwungen. Somit lassen sich durch verschiedene Betriebsmodi eines Kühlsystems sehr unterschiedliche Wärmemengen pro Zeiteinheit aus der Turbine auskoppeln und abtransportieren. Erfindungsgemäß wird während der Luft-Kühlungsphase und während der Nebel-Kühlungsphase ein einheitlicher und gleichbleibender zeitlicher Temperaturgradient für den Abkühlungsprozess vorgegeben. Dabei wird insbesondere ein zeitlicher Temperaturgradient Von etwa 5 - 15 K/h bevorzugt, erfindungsgemäß von etwa 10 K/h. Für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb einer Turbine ist es zweckmäßig, den Zeitbedarf für notwendige Wartungsarbeiten möglichst gering zu halten. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Turbinenkomponenten für eine entsprechende Wartung möglichst zügig herunterzukühlen. Eine zu intensive Zwangskühlung jedoch birgt das Risiko, dass sich beilspielsweise in den Turbinenkomponenten Spannungen aufbauen, die zur Beschädigung der Turbinenkomponenten führen können. Daher wird bei der Auslegung der Turbinenkomponenten im Rahmen der Planung der Turbine ein maximaler zeitlicher Temperaturgradient festgelegt. Infolgedessen wird der Abkühlungsprozess gemäß dem hier vorgestellten Verfahren bevorzugt derart gesteuert, dass der vorgegebene maximale Temperaturgradient möglichst genau erreicht und über den gesamten Abkühlungsprozess gehalten wird. Der zuvor angeführte Wert für den Temperaturgradienten von etwa 10 K/h repräsentiert hierbei einen typischen Wert für Dampfturbinen. Ein solcher maximaler zeitlicher Temperaturgradient ist dabei in der Regel für einen begrenzten Temperaturbereich vorgegeben, weswegen bei einem Abkühlungsprozess über einen sehr großen Temperaturbereich durchaus mehrere verschiedene Werte vorgegeben sein können. In diesem Fall wird der Abkühlungsprozess derart gesteuert, dass in jedem entsprechenden Temperaturbereich der dafür vorgegebene Temperaturgradient erreicht und über den gesamten Temperaturbereich gehalten wird.
  • Erfindungsgemäß wird zur Vorgabe des Temperaturgradienten während der Luft-Kühlungsphase allein die Stromdichte des Luftstroms und während den Nebel-Kühlungsphase allein die Menge an dem dem Luftstrom zugesetzten Wassernebel reguliert. Hierdurch lässt sich ein geeignetes Kühlungssystem für die Turbine und insbesondere ein Steuerungssystem für das Kühlungssystem technisch besonders einfach realisieren. Zudem ist eine entsprechende Steuerung relativ unanfällig für Fehler, da stets lediglich eine Variable im Rahmen der Steuerung verändert wird.
  • Des Weiteren wird die Stromdichte des Luftstroms über die Ventilstellung eines steuerbaren Einlassventils eingestellt. Bei Dampfturbinen beispielsweise wird häufig über eine entsprechende Evakuierungseinrichtung ein Unterdruck in der Dampfturbine erzeugt, wobei ein Druckgefälle zwischen dem Turbineneinlass und dem Turbinenauslass vorgegeben wird. Somit lässt sich durch ein am Turbineneinlass positioniertes Einlassventil bei konstantem Betrieb der Evakuierungseinrichtung mit Hilfe der Umgebungsluft ein Luftstrom generieren, mit dem die Turbinenkomponenten der Dampfturbine gewühlt werden können. Über die Ventilstellung lässt sich dann die Stromdichte des Luftstromes, also die Menge an Luft pro Zeiteinheit regulieren.
  • Zudem wird von der Luft-Kühlungsphase in die Nebel-Kühlungsphase gewechselt, wenn die maximale Luftstromdichte erreicht ist und insbesondere, wenn das Einlassventil voll geöffnet ist. Im Falle des zuvor beschriebenen Kühlungssystems für die Dampfturbine, bei der die Evakuierungseinrichtung und das Einlassventil im Einlassbereich der Dampfturbine genutzt werden, um einen Luftstrom zur Kühlung der Turbinenkomponenten zu generieren, hängt die Effektivität der Kühlung von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Turbinenkomponenten und der Temperatur der für den Luftstrom genutzten Umgebungsluft ab. Diese Temperaturdifferenz ist zu Beginn des Abkühlungsprozesses völlig ausreichend, um den vorgegebenen maximalen Temperaturgradienten zu erreichen und über einen gewissen Temperaturbereich zu halten Mit sinkender Temperatur der Turbinenkomponenten sinkt jedoch die Effektivität der einfachen Luftkühlung und das Einlassventil muss, um den Temperaturgradienten zu halten, immer weiter geöffnet werden, wodurch die Stromdichte des Luftstromes ansteigt. Ist der Abkühlungsprozess weiter fortgeschritten, dann ist irgendwann der Zeitpunkt erreicht, an dem das Ventil voll geöffnet und die maximale Stromdichte des Luftstromes erreicht ist. Um den gewünschten und vorgegebenden Temperaturgradienten weiterhin halten zu können, wird ab diesem Zeitpunkt Wassernebel dem Luftström beigemischt, wobei nachfolgend die Menge an Wassernebel zur Steuerung des Abkühlungsprozesses und insbesondere zur Vorgabe des Temperaturgradienten reguliert wird.
  • Bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der der Luftstrom oder der mit dem Wassernebel versetzte Luftstrom bei Bedarf in ein Leitungssystem für Dampf eingeleitet wird. Damit ist insbesondere dann ein Vorteil verbunden, wenn Dampf als Arbeitsmedium für die Turbine eingesetzt wird und ein entsprechendes Leitungssystem für den Dampf ohnehin gegeben ist, welches eine Durchleitung des Arbeitsmediums durch die Turbine gestattet. In diesem Fall lässt sich eben dieses Leitungssystem je nach Betriebsmodus entweder zur Leitung des Arbeitsmediums oder aber zur Leitung des Kühlmediums, also der Luft oder der mit dem Wassernebel versetzten Luft, nutzen.
  • Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Luftstrom oder der mit dem Wassernebel versetzte Luftstrom an mehreren Positiönen, insbesondere vor jeder Druckstufe der Dampfturbine, in das Leitungssystem eingeleitet wird. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gleichmäßige zwangskühlung aller Turbinenkomponenten unabhängig von ihrer Position innerhalb der Turbine erreichen.
  • Erfindungsgemäß geht bei der Nebel-Kühlungsphase eine Wärmeausgleichsphase im Abkühlungsprozess voraus, in der eine Temperaturangleichung der Turbinenkomponenten untereinander vor allem durch Wärmeleitung erfolgt. Hierdurch werden lokale Temperaturunterschiede innerhalb der Turbine reduziert, wodurch das Risiko einer Beschädigung der Turbine weiter reduziert wird.
  • Erfindunsgäß, und insbesondere im Falle der Dampfturbine, ist zu Beginn des Abkühlungsprozesses eine Dampf-Kühlungsphase vorgesehen, während derer das Arbeitsmedium, also beispielsweise der Wasserdampf, zur Kühlung der Türbinenkomponenten genutzt wird.
  • Hierbei wird die Temperatur des Arbeitsmediums allmählich zurückgefahren, wobei typischerweise während dieser Abkühlungsphase die Turbine weiterhin in Betrieb ist, also inbesondere elektrische Energie generiert.
  • Erfindungsgemäß wird während der Dampf-Kühlungsphase ein gleichbleibender zeitlicher Temperaturgradient für den Abkühlungsprozess vorgegeben, der vom Temperaturgradienten während der Luft-Kühlungsphase und während der Nebel-Kühlungsphase abweicht, insbesondere größer ist.
  • Zudem ist es von Vorteil, wenn als Wassernebel feinstvernebeltes demineralisiertes Wasser verwendet wird. Hierdurch wird vermieden, dass sich Mineralien bei der Verdunstung der Wassertröpfchen aus dem Wassernebel an den Turbinenkomponenten absetzen.
  • Zweckmäßig ist schließlich eine Verfahrensvariante, bei der demineralisiertes Wasser sowohl zur Erzeugung des Wassernebels als auch als Arbeitsmedium eingesetzt wird. Da demineralisiertes Wasser mit einem gewissen technischen Aufwand hergestellt werden muss, ist der Einsatz von demineralisiertem Wasser vor allem dann von Vorteil, wenn ohnehin entsprechendes demineralisiertes Wasser als Arbeitsmedium für die Turbine vorgesehen ist und dementsprechend ohnehin zur Verfügung steht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
  • Darin zeigen:
    • FIG 1
    in einem Diagramm einen zeitlichen Verlauf einer lokalen Temperatur in einer Dampfturbine und
    FIG 2
    in einer Blockschaltbilddarstellung eine Dampfturbine mit einer steuerbaren Kühleinrichtung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das nachfolgend beschriebene Verfahren dient zur Steuerung eines erzwungenen Abkühlungsprozesses von Turbinenkomponenten einer Dampfturbine 2, wobei die Steuerung derart erfolgt, dass wie in FIG 1 dargestellt über einen ausgedehnten Temperaturbereich ein zeitlich konstanter Temperaturgradient für den Abkühlungsprozess vorgegeben wird. Die Vorgabe des Temperaturgradienten erfolgt hierbei mit Hilfe einer Kühl-Steuerungseinheit 4, welche Sensordaten von in der Dampfturbine 2 angeordneten Temperatursensoren 6 auswertet und basierend hierauf ein Kühlungssystem ansteuert.
  • Der Abkühlungsprozess ist im Ausführungsbeispiel in vier aufeinander folgende Phasen P1...P4 unterteilt. In der ersten Phase P1 des Abkühlungsprozesses wird die Temperatur des Arbeitsmediums, hier Wasserdampf, herunter geregelt, wodurch die Turbinenkomponenten der Dampfturbine 2 mit einem Temperaturgradienten von etwa 30 K/h herunter gekühlt werden. Während der Dampf-Kühlungsphase P1 generiert die Dampfturbine 2 weiterhin elektrische Energie, wenngleich die generierte elektrische Energie pro Zeiteinheit stetig sinkt.
  • Bei einer Temperatur der Turbinenkomponenten von etwa 390°C erfolgt der Übergang von der Dampf-Kühlungsphase in eine Wärmeausgleichsphase P2. In dieser Phase des Abkühlungsprozesses wird die Kühlung der Turbinenkomponenten mittels Konvektion unterbrochen, damit eine Temperaturangleichung der Turbinenkomponenten untereinander durch Wärmeleitung erfolgen kann. Hierdurch sollen größere Temperaturdifferenzen innerhalb der Dampfturbine 2 abgebaut werden.
  • Nach etwa 6 Stunden wird die Wärmeausgleichsphase P2 beendet und eine Luft-Kühlungsphase P3 wird gestartet. Während dieser Luft-Kühlungsphase P3 wird ein Luftstrom generiert, welcher über die Turbinenkomponenten geleitet wird. Es wird also erneut eine Abkühlung der Turbinenkomponenten durch Kühlung mittels Konvektion erzwungen, wobei das Kühlmedium nunmehr kein Wasserdampf ist, sondern ein Luftstrom, zu dessen Generierung Umgebungsluft herangezogen wird. Dabei wird die Stromdichte des Luftstromes stetig gesteigert, um so einen Temperaturgradienten von etwa 10 K/h für den Abkühlungsprozess der Turbinenkomponenten vorzugeben. Mit der Steigerung der Stromdichte des Luftstromes wird hierbei die geringer werdende Differenz zwischen der Temperatur der Turbinenkomponenten und der Temperatur der zur Kühlung herangezogenen Umgebungsluft ausgeglichen, so dass in der Summe eine gleichmäßige Abkühlung erzwungen wird.
  • Ist die mit der Kühlvorrichtung erreichbare maximale Luftstromdichte erreicht, so genügt eine einfache Kühlung mittels Luftstrom nicht mehr aus, um den gewünschten Temperaturgradienten für den Abkühlungsprozess weiter aufrecht zu erhalten. Dies ist je nach Temperatur der Umgebungsluft typischerweise bei einer Temperatur der Turbinenkomponenten von etwa 200°C der Fall. Ab diesem Zeitpunkt startet die vierte und letzte Phase des Abkühlungsprozesses, welche nachfolgend als Nebel-Kühlungsphase P4 bezeichnet wird. Während dieser Nebel-Kühlungsphase P4 wird dem Luftstrom, für den weiterhin die maximal mögliche Stromdichte aufrechterhalten wird, zusätzlich feinstvernebeltes demineralisiertes Wasser zugesetzt. Hierdurch wird die Kühlung durch Konvektion ergänzt durch eine Verdampfungskühlung, was die Aufrechterhaltung des gewünschten Temperaturgradienten für den Abkühlungsprozess erlaubt. Zur Regulierung des Temperaturgradienten wird dabei die Menge an demineralisiertem Wasser, welches als feinstvernebeltes Wasser dem Luftstrom zugesetzt wird, reguliert.
  • Bei einer Temperatur der Turbinenkomponenten zwischen 100°C und 150°C endet schließlich der gesteuerte Abkühlungsprozess und es folgt typischerweise die Öffnung der Dampfturbine 2 und insbesondere die Öffnung eines in der Regel vorgesehenen Gehäuses. Nachfolgend können die anstehenden Wartungsarbeiten, derentwegen eine Stilllegung und eine Abkühlung der Dampfturbine 2 typischerweise erfolgt, vorgenommen werden.
  • Neben der in FIG 1 dargestellten durchgezogenen Kurve, die den Temperaturverlauf der Turbinenkomponenten bei einer Zwangskühlung gemäß dem hier vorgestellten Verfahren wiedergibt, ist zusätzlich ein davon abweichender Temperaturverlauf gestrichelt eingezeichnet. Dieser abweichende Temperaturverlauf der Turbinenkomponenten ist charakteristisch für einen Abkühlungsprozess, bei dem die Kühlung ausschließlich mit Hilfe eines Luftstromes erzwungen wird ohne zusätzlich einen Wassernebel in den Luftstrom einzubringen. Bei diesem Temperaturverlauf ist der Temperaturbereich von 100°C bis 150°C, in dem typischerweise mit den Wartungsarbeiten begonnen wird, sehr viel später erreicht. Dementsprechend werden die Betriebsausfall-Zeiten der Dampfturbine 2 bei Wartungsarbeiten durch Anwendung des hier vorgestellten Verfahrens wesentlich verkürzt, was eine wirtschaftlichere Nutzung der Dampfturbine 2 erlaubt.
  • Eine mögliche Ausgestaltung einer Anlage, in welcher die Dampfturbine 2 und eine Kühlvorrichtung zur Umsetzung des hier vorgestellten Verfahrens eingesetzt werden, ist in FIG 2 schematisch abgebildet. Exemplarisch umfasst dabei die Anlage die Dampfturbine 2 mit einer Hochdruckstufe 8, mit einer Mitteldruckstufe 10 sowie mit einer Niederdruckstufe 12, eine zwischen der Hochdruckstufe 8 und der Mitteldruckstufe 10 zwischengeschaltete Überhitzereinheit 14, einen Dampferzeuger 16, einen Kondensator 18 und ein Leitungssystem 20 für das Arbeitsmedium, hier demineralisiertes Wasser und entsprechender Wasserdampf.
  • Teil der Anlage ist weiter ein Reservoir 22, mit dessen Hilfe ein Verlust an demineralisiertem Wasser, sofern notwendig, ausgeglichen werden kann.
  • Um bei Bedarf eine Abkühlung insbesondere der Druckstufen 8 und 10 gemäß dem hier vorgestellten Verfahren erzwingen zu können und um bei einem entsprechend erzwungenen Abkühlungsprozess die Abkühlung steuern zu können, weist die Anlage die Kühl-Steuerungseinheit 4 auf, welche bevorzugt Teil einer zentralen Steuerungseinheit der Anlage ist.
  • Wird nun ein Abkühlungsprozess beispielsweise durch einen Bediener initiiert, so steuert die Kühl-Steuerungseinheit 4 zunächst den Dampferzeuger 16 und die Überhitzereinheit 14 an, so dass die Temperatur des verdampften demineralisierten Wassers, welches durch die Druckstufen 8,10,12 geleitet wird, allmählich absinkt. Auf diese Weise wird die Dampf-Kühlungsphase P1 umgesetzt.
  • Beim Übergang zur Wärmeausgleichsphase P2 werden zwei Sperrventile 24 und zwei Regelventile 26, von jedem eines in einer Zuleitung des Leitungssystems 20 zur Hochdruckstufe 8 und von jedem eines in einer Zuleitung des Leitungssystems 20 zur Mitteldruckstufe 10, geschlossen, wodurch in der Folge eine Kühlung durch Konvektion unterbunden wird. Stattdessen findet ein Temperaturausgleich durch Wärmeleitung innerhalb der Druckstufen 8, 10, 12 statt. Währenddessen werden die beiden Zuleitungen jeweils über einen Flansch F zur Umgebung hin geöffnet.
  • Zu Beginn der sich daran anschließenden Luft-Kühlungsphase P3 werden die Regelventile 26 nach und nach geöffnet, so dass Umgebungsluft jeweils über eine Öffnung 28 in die Zuleitungen des Leitungssystems 20 hin zu den Druckstufen 8,10,12 einströmen kann. Gleichzeitig ist im Kondensator 18 mittels einer entsprechenden, jedoch nicht explizit dargestellten, Evakuierungsvorrichtung ein Unterdruck vorgegeben, so dass hierdurch Umgebungsluft an den Öffnungen 28 einströmt und durch die Druckstufen 8,10,12 hindurch strömt. Dabei wird über die Ventilstellung der Regelventile 26 die Stromdichte des Luftstroms durch die jeweilige Druckstufe 8,10,12 eingestellt.
  • Zum Start der Nebel-Kühlungsphase P4 wird zusätzlich demineralisiertes Wasser aus dem Reservoir 22 mit Hilfe von Sprühvorrichtungen 30 in den zur Kühlung genutzten Luftstrom eingemischt, so dass in der Folge ein mit feinstvernebeltem demineralisiertem Wasser versetzter Luftstrom durch die Druckstufen 8, 10, 12 zur Kühlung selbiger geleitet wird. In der Folge wird die Stromdichte des Luftstromes konstant gehalten und lediglich die Menge an demineralisiertem Wasser welches dem Luftstrom zugesetzt wird, variiert bis die Druckstufen 8,10,12 auf die gewünschte Temperatur heruntergekühlt sind.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Abkühlungsprozesses von Turbinenkomponenten (8, 10, 12), insbesondere einer Dampfturbinenwelle,
    wobei während einer Nebel-Kühlungsphase (P4) ein mit einem Wassernebel versetzter Luftstrom zur Kühlung der Turbinenkomponenten (8, 10, 12) genutzt wird,
    wobei der Nebel-Kühlungsphase (P4) eine Luft-Kühlungsphase (P3) vorausgeht, während derer ein Luftstrom zur Kühlung der Turbinenkomponenten (8, 10, 12) genutzt wird,
    wobei während der Luft-Kühlungsphase (P3) und während der Nebel-Kühlungsphase (P4) ein gleichbleibender zeitlicher Temperaturgradient für den Abkühlungsprozess vorgegeben wird,
    wobei ein zeitlicher Temperaturgradient von etwa 10 K/h vorgegeben wird,
    wobei zur Vorgabe des Temperaturgradienten während der Luft-Kühlungsphase (P3) die Luftstromdichte und während der Nebel-Kühlungsphase (P4) die Menge an dem dem Luftstrom zugesetzten Wassernebel reguliert wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Luftstromdichte über die Ventilstellung eines steuerbaren Regelventils (26) eingestellt wird,
    wobei von der Luft-Kühlungsphase (P3) in die Nebel-Kühlungsphase (P4) gewechselt wird, wenn die maximale Luftstromdichte erreicht ist und insbesondere, wenn das RegelVentil (26) voll geöffnet ist,
    wobei der Luft-Kühlungsphase (P3) eine Wärmeausgleichsphase (P2) im Abkühlungsprozess vorausgeht, in der eine Temperaturangleichung der Turbinenkomponenten (8, 10, 12) untereinander durch Wärmeleitung erfolgt,
    wobei zu Beginn des Abkühlungsprozesses eine Dampf-Kühlungsphase (P1), vorgegehen ist, während derer Wasserdampf zur Kühlung der Turbinenkomponenten (8, 10, 12) genutzt wird, wobei beim Übergang von der Dampf-Kühlungsphase (P1) in die Wärmeausgleichsphase (P2) die Wasserdampfzuleitung und die Kühlung der Turbinenkomponenten (8, 10, 12) mittels Konvektion unterbrochen wird, wobei während der Dampf-Kühlungsphase (P1) ein gleichbleibender zeitlicher Temperaturgradient für den Abkühlungsprozess vorgegeben wird, der vom Temperaturgradienten während der Luft-Kühlungsphase (P3) und während der Nebel-Kühlungsphase (P4) abweicht, insbesondere größer ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei der Luftstrom oder der mit dem Wassernebel versetzte Luftstrom bei Bedarf in ein Leitungssystem (20) für Dampf eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    wobei der Luftstrom oder der mit dem Wassernebel versetzte Luftstrom an mehreren Positionen,
    insbesondere vor jeder Druckstufe (8, 10, 12) einer Dampfturbine (2),
    in das Leitungssystem (20) eingeleitet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Wassernebel vernebeltes demineralisiertes Wasser genutzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    wobei die Turbinenkomponenten (8, 10, 12) Druckstufen einer Dampfturbine (2) sind und demineralisiertes Wasser sowohl zur Erzeugung des Wassernebels als auch als Arbeitsmedium eingesetzt wird.
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