EP3280884B1 - Verfahren zum abkühlen einer dampfturbine - Google Patents

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EP3280884B1
EP3280884B1 EP16728922.2A EP16728922A EP3280884B1 EP 3280884 B1 EP3280884 B1 EP 3280884B1 EP 16728922 A EP16728922 A EP 16728922A EP 3280884 B1 EP3280884 B1 EP 3280884B1
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cooling rate
steam
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steam turbine
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • 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, as well as an associated automation system, wherein the steam turbine is flowed with steam from a steam generator, with, among other things, a predetermined cooling rate ⁇ is determined in front of the steam turbine, the actual cooling rate ⁇ tat is determined and with the specified Cooling rate ⁇ before is compared.
  • Steam turbines are used in power plants to generate energy. After successful commissioning, the steam turbines are used more or less continuously. Nevertheless, it is necessary to carry out revisions every now and then. Here it is necessary that the steam turbines are taken out of operation and cooled down.
  • the “forced cooling” essentially comprises three phases, with the steam temperature being reduced in power mode in the first phase and after switching off, there is then natural cooling and then "cold drawing” with ambient air, the air being drawn through the steam turbine via an evacuation device .
  • the steam turbine is therefore cooled in advance by reducing the steam temperature in power mode.
  • This reduction in the steam temperature can be achieved by using boiler spraying and / or by reducing the output of the furnace or the gas turbine (in the case of a combined cycle plant).
  • care must be taken that the steam temperatures are reduced in such a way that the design limits of the steam turbine are not exceeded.
  • the steam temperature can be reduced using rigid ramps.
  • the disadvantage here is that any given freedoms are not fully exhausted. This, in turn, leads to a loss of time in which valuable fuel could be wasted.
  • the documents AU 2008 202 733 A1 and EP 2 620 604 A1 show cooling processes for steam turbines in which a feedback The temperature gradient in the turbine is only regulated after the end of power operation.
  • the object of the invention is therefore to accelerate the method for cooling the steam turbine.
  • a method for cooling a steam turbine is then used, as is defined by the appended independent claim 1.
  • This method includes, among other things, that 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 that the actual cooling rate in Essentially corresponds to the specified cooling rate.
  • an essential feature of the invention is that a regulation is taken into account, which now regulates the steam temperature in such a way that the cooling of the steam turbine takes place within predetermined limits.
  • the specified cooling rate is determined by a finite element method, determined by measurements or determined by tests.
  • the temperature of the components is taken into account in the cooling rate.
  • 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 a low-pressure turbine section 5.
  • the power plant 1 also includes a steam generator 6 and a condenser 7, which is fluidically connected to the low-pressure turbine section 5.
  • Live steam is generated in the steam generator 6 and flows through a live steam line 8 into the high-pressure turbine section 3 and from there through an outlet 9 to a 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 line 12 into the condenser 7.
  • the condenser 7 the steam condenses to water and is fed back to the steam generator 6 by means of a pump 13.
  • the automation system supplies an output signal to the steam generator 6, which means that the steam generator 6 is operated in such a way that the actual cooling rate ⁇ tat essentially corresponds to the specified cooling rate ⁇ before.
  • the design limits are accordingly mapped in the steam turbine control, with a specification for cooling being calculated and made available to the steam generator 6 as a signal.
  • This optimal steam temperature makes optimal use of the design limits of the steam turbine 2 during cooling. It always checks the actual status and compares it with the permissible limits.
  • the optimal steam temperature will rapidly lower the temperature if there are still large allowances and it will decrease more slowly if there are only small allowances, such as B. near the design limit.
  • the temperatures of the steam turbine and thus the wall temperature limits are taken into account.
  • the specified cooling rate can be determined by a finite element method or by measurements or tests.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen einer Dampfturbine, sowie ein assoziiertes Automatisierungssystem, wobei die Dampfturbine mit Dampf aus einem Dampferzeuger beströmt wird, wobei unter Anderem 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 Kraftwerksanlagen 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 Dokumente AU 2008 202 733 A1 und EP 2 620 604 A1 zeigen Abkühlverfahren für Dampfturbinen, bei denen eine rückgekoppelte Regelung des Temperaturgradienten in der Turbine erst nach Ende des Leistungsbetriebs erfolgt.
  • 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, wie es durch den angehängten unabhängigen Anspruch 1 definiert wird. Dieses Verfahren beinhaltet unter Anderem, dass 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 und in anhängendem unabhängigem Anspruch 5 definiert wird.
  • 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, wie er durch die angehängten unabhängigen Ansprüche definiert wird.

Claims (5)

  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 Ṫtαt im Wesentlichen der vorgegebenen Abkühlrate Ṫvor entspricht,
    wobei der Dampferzeuger (6) derart betrieben wird, dass im Leistungsbetrieb eine Kesselabspritzung erfolgt und/oder im Leistungsbetrieb die Feuerung derart geändert wird, dass die Leistung des Dampferzeugers (6) reduziert wird.
  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 einer Innenwand T1 und eine Temperatur an einer Außenwand TA ermittelt wird und eine Differenz der Temperatur TA - TI einen vorgegebenen Grenzwert ΔTAI weder überschreitet noch unterschreitet.
  5. Automatisierungssystem ausgebildet zur automatisierten Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Automatisierungssystem Mittel zur automatisierten Bestimmung der tatsächlichen Abkühlrate umfasst und dazu ausgebildet ist, die tatsächliche Abkühlrate automatisiert mit einer vorgegebenen Abkühlrate zu vergleichen, wobei das Automatisierungssystem außerdem Mittel zur automatisierten Steuerung der Kesselabspritzung des Dampferzeugers (6) im Leistungsbetrieb und/ oder zur automatisierten Steuerung der Feuerung des Dampferzeugers im Leistungsbetrieb umfasst und dazu ausgebildet ist, diese Mittel automatisiert so zu steuern, dass die Leistung des Dampferzeugers (6) reduziert wird und die tatsächliche Abkühlrate im Wesentlichen der vorgegebenen Abkühlrate entspricht.
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