EP3109418A1 - Verfahren zum abkühlen einer dampfturbine - Google Patents

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EP3109418A1
EP3109418A1 EP15173619.6A EP15173619A EP3109418A1 EP 3109418 A1 EP3109418 A1 EP 3109418A1 EP 15173619 A EP15173619 A EP 15173619A EP 3109418 A1 EP3109418 A1 EP 3109418A1
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EP
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steam
cooling rate
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steam turbine
temperature
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Jan Greis
Oliver Stawarski
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Siemens AG
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a steam turbine, wherein the steam turbine is flowed with steam from a steam generator, wherein a predetermined cooling rate ⁇ is determined in front of the steam turbine, wherein the actual cooling rate ⁇ tat determined and compared with the predetermined cooling rate ⁇ before .
  • the "forced cooling” essentially comprises three phases, wherein in the first phase, a steam temperature reduction occurs during power operation and after switching off a natural cooling and then a "cold drawing” with ambient air, whereby the air is drawn through an evacuation device through the steam turbine , The steam turbine is thus cooled in advance by a reduction of the steam temperature during power operation.
  • This reduction of the steam temperature can be achieved by using a boiler spray and / or by reducing the power of the furnace or the gas turbine (in the case of a combined cycle plant).
  • care must be taken that the reduction of the steam temperatures takes place in such a way that the design limits of the steam turbine are not exceeded.
  • the steam temperature can be reduced by means of rigid ramps. The disadvantage here, however, that any given freedoms are not fully exploited. This in turn leads to a loss of time, could be wasted valuable fuel.
  • the object of the invention is therefore to accelerate the method of cooling the steam turbine.
  • a method for cooling a steam turbine wherein the steam turbine is flowed with steam from a steam generator, wherein a predetermined cooling rate of the steam turbine is determined, the actual cooling rate is determined and compared with the predetermined cooling rate and the steam generator is operated in such a way in that the actual cooling rate essentially corresponds to the predetermined cooling rate.
  • an essential feature of the invention is that a control is taken into account, which now controls the steam temperature such that the cooling of the steam turbine takes place within predetermined limits.
  • the predetermined cooling rate is determined by a finite element method, determined by measurements or determined by tests.
  • the temperature of the components, such as the housing and the rotor of the steam turbine is taken into account.
  • the power plant 1 comprises a steam turbine 2, which is divided into a high-pressure turbine section 3, a medium-pressure turbine section 4 and low-pressure turbine section 5. Furthermore, the power plant 1 comprises a steam generator 6 and a condenser 7, which is fluidically connected to the low-pressure turbine part 5. Live steam is generated in the steam generator 6 and flows through a main steam line 8 in the high-pressure turbine section 3 and from there via an outlet 9 to a reheater 10. In the reheater 10, the steam is brought back to a higher temperature and then flows into the medium-pressure turbine section 4. From there, the steam flows via an overflow line 11 to the low-pressure turbine section 5 and finally via an exhaust steam line 12 in the condenser 7. In the condenser 7, the steam condenses to water and is guided by a pump 13 back to the steam generator 6.
  • the steam turbine 1 is supplied with steam from the steam generator 6, whereby a predetermined cooling rate ⁇ is determined in front of the steam turbine 2. Furthermore, the actual cooling rate ⁇ tat is determined and with the given cooling rate T before compared. This is done in an automation system (not shown).
  • the automation system supplies an output signal to the steam generator 6, which results in that the steam generator 6 is operated such that the actual cooling rate ⁇ tat essentially corresponds to the predetermined cooling rate ⁇ before .
  • the design limits are shown, with a default for cooling is calculated and the steam generator 6 is provided as a signal available. This optimum steam temperature optimally exploits the design limits of the steam turbine 2 during cooling. It always checks the actual conditions and compares with the permissible limits.
  • the default cooling rate can be determined by a finite element method or by measurements or tests.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Automatisierungssystem, das die theoretisch maximale Abkühlrate einer Dampfturbine (2) bestimmt und einen Dampferzeuger (6) derart betreibt, dass die thermische Energie des Dampfes die vorgegebene Abkühlrate weder überschreitet noch unterschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine mit Dampf aus einem Dampferzeuger beströmt wird, wobei eine vorgegebene Abkühlrate Ṫvor der Dampfturbine bestimmt wird, wobei die tatsächliche Abkühlrate Ṫtat ermittelt und mit der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor verglichen wird.
  • Dampfturbinen werden in Kraftwerksanalgen zur Energieerzeugung eingesetzt. Nach einer erfolgreichen Inbetriebnahme werden die Dampfturbinen mehr oder weniger im Dauerbetrieb eingesetzt. Dennoch ist es erforderlich, hin und wieder Revisionen durchzuführen. Hierbei ist es notwendig, dass die Dampfturbinen außer Betrieb genommen werden und abgekühlt sind. Zur Abkühlung ist es gängige Praxis, die Dampfturbine mittels dem sogenannten "forced cooling" abzukühlen. Das "forced cooling" umfasst im Wesentlichen drei Phasen, wobei in der ersten Phase eine Dampftemperaturabsenkung im Leistungsbetrieb erfolgt und nach dem Abschalten erfolgt danach ein natürliches Abkühlen und anschließend ein "kaltziehen" mit Umgebungsluft, wobei über eine Evakuierungseinrichtung die Luft durch die Dampfturbine gezogen wird. Die Dampfturbine wird also durch eine Reduktion der Dampftemperatur im Leistungsbetrieb vorab abgekühlt. Diese Reduktion der Dampftemperatur kann durch die Verwendung einer Kesselabspritzung und/oder durch Leistungsreduzierung der Feuerung bzw. der Gasturbine (im Falle einer GuD-Anlage) erfolgen. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass die Reduktion der Dampftemperaturen derart erfolgt, dass die Auslegungsgrenzen der Dampfturbine nicht überschritten werden. Dazu kann die Dampftemperatur mittels starrer Rampen reduziert werden. Nachteilig ist hierbei aber, dass eventuell vorgegebene Freiheiten nicht voll ausgereizt werden. Dies wiederum führt zu einem Zeitverlust, bei dem wertvoller Brennstoff vergeudet werden könnte.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, dass Verfahren zum Abkühlen der Dampfturbine zu beschleunigen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch den unabhängigen Anspruch 1.
  • Danach kommt erfindungsgemäß ein Verfahren zum Abkühlen einer Dampfturbine zum Einsatz, wobei die Dampfturbine mit Dampf aus einem Dampferzeuger beströmt wird, wobei eine vorgegebene Abkühlrate der Dampfturbine bestimmt wird, wobei die tatsächliche Abkühlrate ermittelt wird und mit der vorgegebenen Abkühlrate verglichen und der Dampferzeuger derart betrieben wird, dass die tatsächliche Abkühlrate im Wesentlichen der vorgegebenen Abkühlrate entspricht.
  • Somit ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass eine Regelung berücksichtigt wird, die nunmehr die Dampftemperatur derart regelt, dass die Abkühlung der Dampfturbine innerhalb vorgegebener Grenzen erfolgt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • So wird in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die vorgegebene Abkühlrate durch eine Finite-Elemente-Methode ermittelt, durch Messungen ermittelt oder durch Tests ermittelt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird bei der Abkühlrate die Temperatur der Bauteile, wie zum Beispiel das Gehäuse und der Rotor der Dampfturbine berücksichtigt.
  • Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Automatisierungssystem gelöst, das ausgebildet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage.
  • Die Kraftwerksanlage 1 umfasst eine Dampfturbine 2, die in eine Hochdruck-Teilturbine 3, eine Mitteldruck-Teilturbine 4 und Niederdruck-Teilturbine 5 eingeteilt ist. Ferner umfasst die Kraftwerksanlage 1 einen Dampferzeuger 6 und einen Kondensator 7, der strömungstechnisch mit der Niederdruck-Teilturbine 5 verbunden ist. Frischdampf wird im Dampferzeuger 6 erzeugt und strömt über eine Frischdampfleitung 8 in die Hochdruck-Teilturbine 3 und von dort über einen Auslass 9 zu einem Zwischenüberhitzer 10. Im Zwischenüberhitzer 10 wird der Dampf wieder auf eine höhere Temperatur gebracht und strömt anschließend in die Mitteldruck-Teilturbine 4. Von dort aus strömt der Dampf über eine Überströmleitung 11 zur Niederdruck-Teilturbine 5 und schließlich über eine Abdampfleitung 12 in den Kondensator 7. Im Kondensator 7 kondensiert der Dampf zu Wasser und wird mittels einer Pumpe 13 wieder zum Dampferzeuger 6 geführt.
  • Die Dampfturbine 1 wird mit Dampf aus dem Dampferzeuger 6 beströmt, wobei eine vorgegebene Abkühlrate Ṫvor der Dampfturbine 2 bestimmt wird. Des Weiteren wird die tatsächliche Abkühlrate Ṫtat ermittelt und mit der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor verglichen. Dies erfolgt in einem Automatisierungssystem (nicht dargestellt). Das Automatisierungssystem liefert ein Ausgangssignal an den Dampferzeuger 6, was dazu führt, dass der Dampferzeuger 6 derart betrieben wird, dass die tatsächliche Abkühlrate Ṫtat im Wesentlichen der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor entspricht. In der Dampfturbinensteuerung sind demnach die Auslegungsgrenzen abgebildet, wobei eine Vorgabe zur Abkühlung berechnet wird und dem Dampferzeuger 6 als Signal zur Verfügung gestellt wird. Diese optimale Dampftemperatur nutzt die Auslegungsgrenzen der Dampfturbine 2 beim Abkühlen optimal aus. Sie überprüft stets die Ist-Zustände und vergleicht mit den zulässigen Grenzen. Mit anderen Worten, mit dem Automatisierungssystem wird die optimale Dampftemperatur die Temperatur zügig herabsetzen, wenn noch große Freibeträge vorhanden sind und langsamer herabsetzen, wenn nur noch kleine Freibeträge vorhanden sind, wie z. B. nahe der Auslegungsgrenze. Berücksichtigt werden hierbei Temperaturen der Dampfturbine und somit die Wandtemperatur-Grenzen.
  • Die vorgegebene Abkühlrate kann durch eine Finite-Elemente-Methode ermittelt werden oder durch Messungen oder durch Tests.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Abkühlen einer Dampfturbine (2),
    wobei die Dampfturbine (2) mit Dampf aus einem Dampferzeuger (6) beströmt wird,
    wobei eine vorgegebene Abkühlrate Ṫvor der Dampfturbine (2) bestimmt wird,
    wobei die tatsächliche Abkühlrate Ṫtat ermittelt wird und mit der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor verglichen wird und der Dampferzeuger (6) derart betrieben wird, dass die tatsächliche Abkühlrate Ṫtat im Wesentlichen der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei die vorgegebene Abkühlrate Ṫvor durch eine Finite-Elemente-Methode ermittelt wird, durch Messungen ermittelt wird oder durch Tests ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei bei der Abkühlrate die Temperaturen der Bauteile der Dampfturbine (2) berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    wobei eine Temperatur an der Innenwand TI und eine Temperatur an der Außenwand TA ermittelt wird und eine Differenz der Temperatur TA - TI einen vorgegebenen Grenzwert ΔTAI weder überschreitet noch unterschreitet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Dampferzeuger (6) derart betrieben wird, dass eine Kesselabspritzung erfolgt und/oder die Feuerung derart geändert wird, dass die Leistung des Dampferzeugers (6) reduziert wird.
  6. Automatisierungssystem
    ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 5.
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