EP3447257A1 - Verfahren zum beschleunigen einer dampfturbine - Google Patents

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EP3447257A1
EP3447257A1 EP17187068.6A EP17187068A EP3447257A1 EP 3447257 A1 EP3447257 A1 EP 3447257A1 EP 17187068 A EP17187068 A EP 17187068A EP 3447257 A1 EP3447257 A1 EP 3447257A1
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EP
European Patent Office
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steam
steam turbine
turbine
generator
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17187068.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Heue
Fatih Temiz
David Veltmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/101—Regulating means specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting

Definitions

  • the invention relates to a method for accelerating a steam turbine, wherein the steam turbine is torque-coupled with a generator, wherein the generator is operated as a motor and a voltage generating system supplies the generator with electrical energy.
  • Steam turbines are used in modern steam power plants.
  • gas turbines are used in addition to the steam turbines.
  • the thermal energy of the hot exhaust gas of the gas turbine is used to generate steam for the operation of the steam turbine.
  • the thermal energy from an energy source is used to generate steam needed to operate the steam turbine.
  • the steam turbines used in the steam power plants or gas and steam turbine power plants have comparatively high masses. Therefore, the heating of the preferably made of steel comparatively large components of the steam turbine is an essential factor. The heating must not be too fast, as this can lead to negative consequences of the material properties.
  • the startup of a steam turbine is an essential factor in the operation of a steam power plant or a combined cycle power plant. Starting a steam turbine is a challenge and is currently accomplished by using steam from the steam generator to rotate the rotor of a steam turbine. However, only a small part of the generated steam is used here.
  • the remaining steam which does not flow into the steam turbine operated during start-up, is fed directly into the condenser via a bypass station.
  • a minimum amount of steam is required for starting the steam turbine.
  • the invention seeks to remedy the situation and offer a method by which the startup or acceleration of the steam turbine is improved.
  • the steam turbine is accelerated until a steam of sufficient quality is available and supplies the steam turbine with steam.
  • the steam turbine does not have to stop during this time, but can be accelerated according to the invention via the generator operated as a motor. Once the steam has sufficient quality, the steam is fed to the steam turbine, in which case there is the advantage that the steam turbine already has certain speeds, preferably the rated speed of 50hz or 60hz.
  • the high-pressure turbine part is then supplied with steam when the steam is available in sufficient quantity.
  • a battery or rechargeable battery system is used as the voltage generating system.
  • an electrical supply network is used as the voltage generation system.
  • a frequency converter is used, which is arranged between the voltage generating system and the generator.
  • the steam turbine is used in a gas and steam turbine power plant and accelerated simultaneously with the gas turbine.
  • the steam turbine is used in a combined cycle power plant and accelerated in front of the gas turbine.
  • the figure shows a part of a plant 1.
  • This plant 1 may be part of a steam power plant or a gas and steam turbine plant.
  • the plant 1 comprises a steam turbine 2.
  • the representation of the steam turbine 2 is to be regarded as schematic in the figure.
  • the steam turbine 2 in formed several sub-turbines, such as a high-pressure turbine section, medium-pressure turbine section and low-pressure turbine section.
  • the medium-pressure turbine part is characterized by the fact that it is supplied with a steam, which flows out of the high-pressure turbine section and was brought to a higher temperature in a reheater.
  • the steam turbine 2 essentially comprises a rotor formed with blades, which rotates in nominal operation with, for example, 50hz or 60hz.
  • the thermal energy of the steam is converted into rotational energy of the rotor.
  • the rotational energy of the rotor is used to drive a generator rotor (not shown) of a generator 3.
  • the generator 3 is an electrodynamic machine, which can be operated as a generator, that is to say for the generation of electrical energy or as a motor, that is to say for the generation of mechanical energy.
  • the generator 3 is coupled torque-technically via a common shaft 4 with the steam turbine 2.
  • a voltage generating system 5 is used to supply the generator 3 with electrical energy, wherein the generator 3 is operated as a motor and drives or accelerates the rotor of the steam turbine 2.
  • the driving of the rotor of the steam turbine 2 via the generator 3 operated as a motor takes place here at such an early stage that the steam turbine 2 takes place without steam supply from the steam generator (not shown).
  • the rotor of the steam turbine 2 is thereby accelerated from standstill until a steam of sufficient quality from the steam generator is available and then supplies the steam turbine 2 with steam.
  • a switch 6 is opened, whereby the electrical supply of the generator 3 is interrupted.
  • the generator 3 is then no longer operated as a motor, but as a generator 3 for generating electrical energy.
  • a battery or a battery system is used.
  • a power supply system 5 may be used as the power generation system 5.
  • a frequency converter 7 is disposed between the voltage generating system 5 and the switch 6. With the frequency converter 7, a suitable frequency of the voltage is generated, which is required for the operation of the generator 3 operated as a motor.
  • the steam in the steam generator is not of sufficient quality, that is, the steam does not have the appropriate pH or humidity, for example, the steam is first passed through the medium pressure and / or low pressure turbine section. Only when the steam has the sufficient quality, this is also passed through the high-pressure low-pressure turbine section.
  • the plant is also operated by the fact that as long as the steam is not generated in the steam generator in sufficient quantity, the high-pressure turbine section is not supplied with steam, but first the medium-pressure or low-pressure turbine section. Only when the steam is available in sufficient quantity, the high-pressure turbine section is supplied with steam.
  • the steam turbine 2 is used in a gas and steam turbine power plant, the steam turbine 2 is accelerated simultaneously with the gas turbine. In an alternative embodiment, the steam turbine 2 is accelerated even before the gas turbine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschleunigen einer Dampfturbine (2), wobei die Dampfturbine (2) mit einem Generator (3) gekoppelt wird und der Generator (3) als Motor betrieben wird und die Dampfturbine (2) während des Anfahrvorgangs beschleunigt, wobei die Beschleunigung in einer frühen Phase erfolgt, so dass die Dampfturbine (2) zunächst ohne Dampfzufuhr nur durch den als Motor betriebenen Generator (3) beschleunigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschleunigen einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine mit einem Generator drehmomenttechnisch gekoppelt wird, wobei der Generator als Motor betrieben wird und ein Spannungserzeugungssystem den Generator mit elektrischer Energie versorgt.
  • In modernen Dampfkraftwerksanlagen werden Dampfturbinen eingesetzt. In sogenannten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken werden neben den Dampfturbinen auch Gasturbinen eingesetzt. In einem solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerk wird die thermische Energie des heißen Abgases der Gasturbine dazu verwendet, Dampf für den Betrieb der Dampfturbine zu erzeugen.
  • In reinen Dampfkraftwerkanlagen wird die thermische Energie aus einem Energieträger dazu verwendet Dampf zu erzeugen, der zum Betrieb der Dampfturbine benötigt wird.
  • Die in den Dampfkraftwerken oder Gas- und Dampfturbinenkraftwerken eingesetzten Dampfturbinen weisen vergleichsweise hohe Massen auf. Daher ist die Erwärmung der vorzugsweise aus Stahl gefertigten vergleichsweise großen Bauteile der Dampfturbine ein wesentlicher Faktor. Die Erwärmung darf nicht zu schnell erfolgen, da dies zu negativen Folgen der Materialeigenschaften führen kann. Neben dem Dauerbetrieb, bei dem eine Dampfturbine mit 50hz bzw. 60hz betrieben wird, ist das Anfahren einer Dampfturbine ein wesentlicher Faktor beim Betrieb eines Dampfkraftwerkes bzw. eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes. Das Anfahren einer Dampfturbine stellt eine Herausforderung dar und wird derzeit dadurch erreicht, indem ein Dampf aus dem Dampferzeuger dazu benutzt wird, den Rotor einer Dampfturbine in Drehung zu versetzen. Allerdings wird hier nur ein kleiner Teil des erzeugten Dampfes verwendet.
  • Der restliche Dampf, der nicht in die während des Anfahrens betriebene Dampfturbine strömt, wird über eine Umleitstation direkt in den Kondensator geleitet. Für das Anfahren der Dampfturbine ist eine Mindestdampfmenge erforderlich.
  • Hier möchte die Erfindung Abhilfe schaffen und ein Verfahren anbieten, mit dem das Anfahren bzw. Beschleunigen der Dampfturbine verbessert wird.
  • Gelöst wird dies durch ein Verfahren zum Beschleunigen einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine mit einem Generator drehmomenttechnisch gekoppelt wird, wobei der Generator als Motor betrieben wird und ein Spannungserzeugungssystem den Generator mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Dampfturbine ohne Dampfzufuhr durch den als Motor betriebenen Generator beschleunigt wird.
  • Mit der Erfindung wird demnach vorgeschlagen, den in einem Dampfkraftwerk oder Gas- und Dampfturbinenkraftwerk vorhandenen Generator, der zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt wird, als Motor zu betreiben. Dieser als Motor betriebene Generator erzeugt ein Drehmoment auf den Rotor der Dampfturbine, so dass dieser Rotor beschleunigt wird. Dadurch erfolgt ein zügiges Anfahren der Dampfturbine. Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, die Dampfturbine gleichzeitig mit der Gasturbine oder sogar vor der Gasturbine zu beschleunigen, wenn die Dampfturbine in einem Gas- und Dampfkraftwerk eingesetzt wird. Diese Beschleunigung bzw. das Anfahren erfolgt ohne eine Zufuhr von Dampf.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird die Dampfturbine so lange beschleunigt, bis ein Dampf mit ausreichender Qualität zur Verfügung steht und die Dampfturbine mit Dampf versorgt.
  • Dadurch wird die Anfahrzeit noch weiter verkürzt. Naturgemäß wird eine gewisse Zeit benötigt, um einen Dampf mit ausreichender Qualität zu erzeugen. Die Dampfturbine muss während dieser Zeit nicht stillstehen, sondern kann erfindungsgemäß über den als Motor betriebenen Generator beschleunigt werden. Sobald der Dampf die ausreichende Qualität aufweist, wird der Dampf der Dampfturbine zugeführt, wobei hier dann der Vorteil entsteht, dass die Dampfturbine bereits bestimmte Drehzahlen, vorzugsweise die Nenndrehzahl von 50hz bzw. 60hz aufweist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Dampf mit ausreichender Qualität zunächst durch die Mitteldruck- und/oder Niederdruck-Teilturbine geführt. Erst wenn der Dampf auch die ausreichende Qualität aufweist, wird dieser durch die Hochdruck-Teilturbine geführt.
  • Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Anfahrzeit zu verkürzen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Hochdruck-Teilturbine dann mit Dampf versorgt, wenn der Dampf in ausreichender Menge verfügbar ist.
  • Durch diese Maßnahme ist es möglich die Ventilationsleistung zu verringern.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Spannungserzeugungssystem ein Batterie- oder Akkusystem eingesetzt.
  • In einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung wird als Spannungserzeugungssystem ein elektrisches Versorgungsnetz verwendet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein Frequenzumrichter eingesetzt, der zwischen dem Spannungserzeugungssystem und dem Generator angeordnet wird. Vorteilhafterweise wird die Dampfturbine in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk eingesetzt und gleichzeitig mit der Gasturbine beschleunigt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung, die als Alternative zu betrachten ist, wird die Dampfturbine in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk eingesetzt und vor der Gasturbine beschleunigt.
  • 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.
  • Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterungen 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
    die Figur eine Darstellung eines Teils einer Anlage.
  • Die Figur zeigt ein Teil einer Anlage 1. Diese Anlage 1 kann Teil einer Dampfkraftanlage oder einer Gas- und Dampfturbinenanlage sein. Die Anlage 1 umfasst eine Dampfturbine 2. Die Darstellung der Dampfturbine 2 ist in der Figur als schematisch zu betrachten. In der Regel wird die Dampfturbine 2 in mehreren Teilturbinen ausgebildet, wie beispielsweise eine Hochdruck-Teilturbine, Mitteldruck-Teilturbine und Niederdruck-Teilturbine. Die Mitteldruck-Teilturbine zeichnet sich dadurch aus, dass diese mit einem Dampf versorgt wird, der aus der Hochdruck-Teilturbine ausströmt und in einem Zwischenüberhitzer auf eine höhere Temperatur gebracht wurde.
  • Die Dampfturbine 2 umfasst im Wesentlichen einen mit Laufschaufeln ausgebildeten Rotor, der im Nennbetrieb mit beispielsweise 50hz oder 60hz dreht. Die thermische Energie des Dampfes wird hierbei in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt. Die Rotationsenergie des Rotors wird dazu verwendet, einen Generatorrotor (nicht dargestellt) eines Generators 3 anzutreiben. Der Generator 3 ist eine elektrodynamische Maschine, die als Generator, also zur Erzeugung von elektrischer Energie oder als Motor, also zur Erzeugung mechanischer Energie betrieben werden kann. Der Generator 3 ist über eine gemeinsame Welle 4 mit der Dampfturbine 2 drehmomenttechnisch gekoppelt.
  • In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Spannungserzeugungssystem 5 dazu verwendet, den Generator 3 mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei der Generator 3 als Motor betrieben wird und den Rotor der Dampfturbine 2 antreibt bzw. beschleunigt. Das Antreiben des Rotors der Dampfturbine 2 über den als Motor betriebenen Generator 3 erfolgt hierbei zu solch einem frühen Stadium, dass die Dampfturbine 2 ohne Dampfzufuhr aus dem Dampferzeuger (nicht dargestellt) erfolgt. Der Rotor der Dampfturbine 2 wird hierbei aus dem Stillstand so lange beschleunigt, bis ein Dampf mit ausreichender Qualität aus dem Dampferzeuger zur Verfügung steht und die Dampfturbine 2 dann mit Dampf versorgt. Sobald die Dampfversorgung der Dampfturbine 2 derart ist, dass die thermische Energie des Dampfes ausreicht, um die Dampfturbine 2 anzutreiben, wird ein Schalter 6 geöffnet, wodurch die elektrische Versorgung des Generators 3 unterbrochen wird. Der Generator 3 wird dann nicht mehr als Motor betrieben, sondern als Generator 3 zum Erzeugen von elektrischer Energie. Als Spannungserzeugungssystem 5 wird ein Batterie- oder ein Akkusystem verwendet. In alternativen Ausführungsformen kann als Spannungserzeugungssystem 5 ein elektrisches Versorgungsnetz verwendet werden.
  • Im Falle einer Batterie oder eines Akkusystems als Spannungserzeugungssystem 5 wird ein Frequenzumrichter 7 zwischen dem Spannungserzeugungssystem 5 und dem Schalter 6 angeordnet. Mit dem Frequenzumrichter 7 wird eine geeignete Frequenz der Spannung erzeugt, die für den Betrieb des als Motor betriebenen Generators 3 benötigt wird.
  • Zur optimalen Beschleunigung der Dampfturbine 2 ist es erforderlich eine Regelung einzuführen, bei der die Drehzahl des Rotors der Dampfturbine 2 berücksichtigt wird. Daher sind an dem Rotor der Dampfturbine 2 Sensoren angebracht, die die Drehzahl ermitteln und zu einem Drehzahlregler 8 als Eingangsgröße einfließen. Der Drehzahlregler 8 verarbeitet die Informationen aus den Sensoren und liefert ein Ausgangssignal 9 an den Frequenzumrichter 7, der dann die passende Frequenz der Spannung für den als Motor betriebenen Generator 3 als Ausgangssignal bereitstellt.
  • Solange der Dampf im Dampferzeuger nicht die ausreichende Qualität aufweist, das bedeutet, dass der Dampf beispielsweise nicht den geeigneten PH-Wert oder Feuchtigkeit aufweist, wird der Dampf zunächst durch die Mitteldruck- und/oder Niederdruck-Teilturbine geführt. Erst wenn der Dampf die ausreichende Qualität aufweist, wird dieser auch durch die Hochdruck-Niederdruck-Teilturbine geführt.
  • Die Anlage wird desweiteren dadurch betrieben, dass solange im Dampferzeuger der Dampf nicht in der ausreichenden Menge erzeugt wird, die Hochdruck-Teilturbine nicht mit Dampf versorgt wird, sondern zunächst die Mitteldruck- bzw. Niederdruckteilturbine. Erst wenn der Dampf in ausreichender Menge verfügbar ist, wird die Hochdruck-Teilturbine mit Dampf versorgt.
  • Sofern die Dampfturbine 2 in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk eingesetzt wird, wird die Dampfturbine 2 gleichzeitig mit der Gasturbine beschleunigt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Dampfturbine 2 sogar vor der Gasturbine beschleunigt.
  • 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 (10)

  1. Verfahren zum Beschleunigen einer Dampfturbine (2), wobei die Dampfturbine mit einem Generator (3) drehmomenttechnisch gekoppelt wird,
    wobei der Generator (3) als Motor betrieben wird und ein Spannungserzeugungssystem (5) den Generator (3) mit elektrischer Energie versorgt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampfturbine (2) ohne Dampfzufuhr durch den als Motor betriebenen Generator (3) beschleunigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei die Dampfturbine (2) solange beschleunigt wird, bis ein Dampf mit ausreichender Qualität zur Verfügung steht und die Dampfturbine (2) mit Dampf versorgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Dampf in einem Dampferzeuger erzeugt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    wobei die Dampfturbine (2) eine Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbine aufweist und der Dampf mit ausreichender Qualität zunächst durch die Mitteldruck- und/oder Niederdruck-Teilturbine strömt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    wobei die Hochdruck-Teilturbine dann mit Dampf versorgt wird, wenn der Dampf in einer ausreichenden Menge verfügbar ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Spannungserzeugungssystem (5) ein Batterie- oder ein Akkusystem verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei als Spannungserzeugungssystem (5) ein elektrisches Versorgungsnetz verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Frequenzumrichter zwischen dem Spannungserzeugungssystem (5) und dem Generator (3) angeordnet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dampfturbine (2) in einem Gas- und DampfturbinenKraftwerk eingesetzt wird und die Dampfturbine (2) gleichzeitig mit der Gasturbine beschleunigt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei die Dampfturbine (2) in einem Gas- und DampfturbinenKraftwerk eingesetzt wird und die Dampfturbine (2) vor der Gasturbine beschleunigt wird.
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