EP3850194B1 - Dampfturbine und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Dampfturbine und verfahren zum betreiben derselben Download PDF

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EP3850194B1
EP3850194B1 EP19795107.2A EP19795107A EP3850194B1 EP 3850194 B1 EP3850194 B1 EP 3850194B1 EP 19795107 A EP19795107 A EP 19795107A EP 3850194 B1 EP3850194 B1 EP 3850194B1
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EP
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pressure
inner housing
steam
low
process steam
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Stefan PREIBISCH
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • 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
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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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
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    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
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    • F01K7/025—Consecutive expansion in a turbine or a positive displacement engine
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the present invention relates to a steam turbine according to the preamble of independent claim 1 and a method for operating a steam turbine according to the preamble of independent claim 7.
  • steam is used as the working medium to operate steam turbines.
  • the steam is heated in a steam boiler and flows into the steam turbine as process steam via pipes.
  • the previously absorbed thermal energy of the working medium is converted into kinetic energy.
  • the kinetic energy is usually used to operate a generator, which converts the mechanical power generated into electrical power. Alternatively, the kinetic energy can also be used to drive machines such as pumps.
  • the relaxed and cooled process steam flows into a condenser, where it is condensed by heat transfer in a heat exchanger and fed back to the steam boiler as water for heating.
  • Usual steam turbines have at least one high-pressure part and at least one low-pressure part, which are also referred to as high-pressure or low-pressure stages.
  • the low-pressure part the temperature of the process steam drops sharply, which can lead to partial condensation of the process steam.
  • the low-pressure part is very sensitive to the moisture content of the process steam. If the process steam reaches the low-pressure part of the steam turbine with a moisture content of approx. 8 to 10%, measures must be taken to reduce the moisture content of the process steam to a permissible level before entering the low-pressure part.
  • the process steam is heated before entering the low-pressure section so-called intermediate superheating.
  • reheating the process steam is heated again so that the moisture content drops.
  • the entire steam mass flow is removed from the steam turbine after the high-pressure part, fed to the reheating and raised approximately to the temperature of the live steam.
  • the process steam is then fed to the low-pressure part. Without such reheating, the steam turbine would have to be stopped because condensed water droplets could hit the rotating turbine blades and cause damage to the turbine blades due to droplet erosion.
  • At least one medium-pressure stage is used in addition to a high-pressure and a low-pressure stage.
  • This type of reheating of the process steam is carried out between the individual turbine stages. This leads to higher efficiency, as mechanical energy can be generated more efficiently in the turbine stages using the superheated steam.
  • the material on the outer wall is subjected to high stress.
  • the colder steam is removed from the first turbine stage, fed to the reheater and the heated process steam is fed to the second turbine stage.
  • High temperature differences occur in the outer wall in the transition area between the first turbine stage and the second turbine stage. Since the end of the first turbine stage, from which the cold process steam is removed, and the beginning of the second turbine stage, into which the hot process steam is supplied from the reheater, are close together, high thermal stresses occur in the outer wall. This can lead to leaks or cracks in the external wall.
  • the steam turbine has a steam turbine outer casing. Furthermore, the steam turbine has a high-pressure inner housing with a first process steam inlet section and a first process steam outlet section for guiding process steam through the high-pressure inner housing from the first process steam inlet section to the first process steam outlet section in a first process steam expansion device. Furthermore, the steam turbine has a low-pressure inner housing with a second process steam inlet section and a second process steam outlet section for guiding process steam through the low-pressure inner housing from the second process steam inlet section to the second process steam outlet section in a second process steam expansion direction. In addition, the steam turbine has a reheater located downstream of the high-pressure inner casing and downstream of the low-pressure inner housing is arranged, wherein the high-pressure inner housing and the low-pressure inner housing are arranged within the steam turbine outer housing.
  • the high-pressure inner housing and the low-pressure inner housing are arranged such that the first steam inlet section of the high-pressure inner housing faces the second steam inlet section of the low-pressure inner housing.
  • the fact that the first steam inlet section of the high-pressure inner housing faces the second steam inlet section of the low-pressure inner housing means that the first steam inlet section of the high-pressure inner housing points or is aligned in the opposite direction or substantially in the opposite direction as the second steam inlet section of the low-pressure inner housing. Accordingly, the first process steam expansion direction runs opposite or substantially opposite to the second process steam expansion direction.
  • the high-pressure inner housing and the low-pressure inner housing are thus arranged such that a process steam flooding direction through the high-pressure inner housing runs in the opposite direction, in particular 180° opposite, to a process steam flooding direction through the low-pressure inner housing.
  • superheated process steam in the form of live steam, can be fed into the high-pressure inner housing, which is rotated in the opposite direction to the steam, and can be expanded to the pressure and temperature level of a so-called cold intermediate superheat.
  • the process steam can be led to the reheater.
  • Reheated process steam from the reheater can then slide into the low-pressure inner housing facing a main flow direction and relax there down to condensation pressure in the steam turbine.
  • the low-pressure inner housing is to be understood as meaning an inner housing in which, at least on average, a lower pressure prevails or arises than in the high-pressure inner housing. That is, the low-pressure inner housing can also be understood to mean, in particular, a medium-pressure inner housing.
  • Process steam is understood to mean steam, in particular water vapor, which flows through components of the steam turbine during operation of the steam turbine.
  • An expansion direction is to be understood as meaning a direction in which the process steam essentially moves or is directed. This means that if the process steam moves into a steam turbine section, for example from left to right, this is to be understood, in simplified terms, as a linear expansion direction to the right. Furthermore, in the present case, a relaxation direction is to be understood as meaning a pressure direction from a high-pressure area into a low-pressure area or into a pressure area with a lower pressure than in the high-pressure area. Accordingly, an upstream steam turbine section is to be understood as a section that is arranged opposite to the expansion direction.
  • the task is solved by the features of independent patent claim 1.
  • the task is solved by the features of independent patent claim 7.
  • a steam turbine is provided.
  • the steam engine has a steam turbine outer casing.
  • the steam turbine has a high-pressure inner housing with a first process steam inlet section and a first process steam outlet section for guiding process steam through the high-pressure inner housing from the first process steam inlet section to the first process steam outlet section in a first process expansion device.
  • the steam turbine has a low-pressure inner housing with a second process steam inlet section and a second process steam outlet section for guiding process steam through the low-pressure inner housing from the second process steam inlet section to the second process steam outlet section in a second process steam expansion device.
  • the steam turbine has a reheater for reheating process steam, which can be removed downstream of the high-pressure inner housing and upstream of the low-pressure inner housing.
  • the high-pressure inner housing and the low-pressure inner housing are arranged within the steam turbine outer housing and the high-pressure inner housing and the low-pressure inner housing are arranged such that the first steam inlet section of the high-pressure inner housing faces the second steam inlet section of the low-pressure inner housing and further downstream of the high-pressure inner housing a process steam deflection section for diverting process steam from the first steam outlet section in a direction opposite to the first steam expansion device into a gap which is between an inner wall of the steam turbine outer housing and an outer wall of the high-pressure inner housing and at least in sections between the inner wall of the steam turbine outer housing and an outer wall of the low-pressure inner housing extends.
  • a high-pressure sealing shell for at least partially sealing the upstream end section of the high-pressure inner housing and at an upstream end section of the low-pressure inner housing, on which the second process steam end section is designed, a low-pressure sealing shell for at least partially sealing of the upstream end portion of the low-pressure inner housing are arranged, and wherein the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell are arranged adjacent to one another.
  • the high-pressure inner housing is designed in such a way that process steam can be removed from the high-pressure inner housing and can be conducted in an area between the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell.
  • the process steam which can be taken from the high-pressure inner housing, is throttled directly to the reheating parameters without doing any work. As a result, the steam is significantly warmer than the process steam that was expanded within the first steam expansion device.
  • the removed process steam can thereby be used to direct it into an area of the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell in order to locally heat the area and in particular the second inner housing. This means that so-called cold spots cannot occur on the rotor and in the area of the second steam inlet section of the low-pressure inner housing. This results in a positive temperature distribution both in terms of rotor mechanics and rotor dynamics. Due to the lower thermally driven deformation on the low pressure inner housing The clearances between the rotor of the steam turbine and the inner housing can be set smaller.
  • the high-pressure sealing shell is designed such that a predeterminable leakage mass flow can be conducted via the high-pressure sealing shell in an area between the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell. Because the high-pressure sealing shell is designed in such a way that a sufficiently large vapor mass flow (leakage flow) can be conducted through the high-pressure sealing shell into the area between the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell, the space between the two sealing shells can be heated accordingly, so that the rotor mechanical and Rotor dynamic properties in terms of temperature are positively influenced, so that no cold spots arise on the rotor and the area of the second process steam inlet section is preheated accordingly.
  • the additional formation of lines and openings within the first expansion device can therefore be dispensed with, which significantly reduces the design effort.
  • the existing leakage flow from the high-pressure sealing shell is used for heating, whereby the high-pressure sealing shell must be designed so that the leakage mass flow is higher than would be technically necessary.
  • the leakage mass flow can be easily determined or adjusted by appropriately increasing the gap between the sealing shells and the rotor.
  • a further embodiment of the invention provides that the high-pressure sealing shell and the low-pressure sealing shell are designed and coordinated with one another in such a way that the leakage mass flow through the high-pressure sealing shell is greater than the leakage mass flow through the low-pressure sealing shell.
  • the leakage mass flow via the high-pressure sealing shell is at least 30%, preferably at least 50% larger than the leakage mass flow via the low-pressure sealing shell.
  • the difference in the mass flows results in a blocking mass flow which prevents the cold reheating steam from penetrating into the low-pressure sealing shell and thus into the second expansion device.
  • the hot leakage mass flow from the first expansion device ensures preheating of the rotor between the first sealing shell and the second sealing shell and preheating, in particular of the second process steam inlet section at the second expansion device.
  • a further embodiment of the invention provides that a sealing web is designed on a downstream end section of the low-pressure inner housing for sealing a steam turbine area between the downstream end section of the low-pressure inner housing and the steam turbine outer housing.
  • process steam flows around the low-pressure inner housing during operation.
  • the sealing web which is preferably designed as an integrated sealing web on the downstream end section of the low-pressure inner housing.
  • a further embodiment of the invention provides that the reheater is arranged outside the steam turbine outer casing. This is particularly advantageous with regard to assembly, disassembly, maintenance and repair.
  • the process results in a rotor-mechanical and rotor-dynamic positive temperature distribution.
  • the imposed temperature field allows higher absolute temperature differences in the reheating to be achieved and thus the overall efficiency can be increased.
  • One embodiment of the method provides that the extracted process steam (leakage steam) flows via the high-pressure sealing shell into the area between the high-pressure sealing shell and the low pressure sealing shell.
  • the method according to the invention can be implemented with little design effort and therefore cost-effectively.
  • the conversion of existing steam turbines to the process described can be accomplished using simple means.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a steam turbine 1 according to the invention.
  • the steam turbine 1 has a steam turbine outer housing 20, in which there is a high-pressure inner housing 30, a low-pressure inner housing 40 in the form of a medium-pressure inner housing and a further low-pressure inner housing 90.
  • a live steam or process steam source 10 for supplying process steam to the high-pressure inner housing 30 is arranged upstream of the high-pressure inner housing 30.
  • the high-pressure inner housing 30 has a first process steam inlet section 31 and a first process steam outlet section 32 for guiding process steam through the high-pressure inner housing 30 from the first process steam inlet section 31 to the first process steam outlet section 32 in a first process steam expansion device 33.
  • the low-pressure inner housing 40 has a second process steam inlet section 41 and a second process steam outlet section 42 for guiding process steam through the low-pressure inner housing 40 from the second process steam inlet section 41 to the second process steam outlet section 42 in a second process steam expansion device 43.
  • the steam turbine 1 further has a reheater 50, which is arranged downstream of the high-pressure inner housing 30 and upstream of the low-pressure inner housing 40. The arrangement does not refer to a spatial arrangement, but rather to a fluid arrangement.
  • the high-pressure inner housing 30 and the low-pressure inner housing 40 are arranged such that the first steam inlet section 31 of the high-pressure inner housing 30 faces the second steam inlet section 41 of the low-pressure inner housing 40.
  • the steam turbine 1 Downstream of the high-pressure inner housing 30, the steam turbine 1 has a process steam deflection section 60 for diverting process steam from the first steam outlet section 32 in a direction opposite to the first steam expansion device 33 into a gap 70 of the steam turbine 1.
  • the gap 70 extends between the steam turbine outer housing 20 and the high-pressure inner housing 30 and at least in sections between the steam turbine housing 20 and the low-pressure inner housing 40.
  • At a downstream end section of the low-pressure inner housing 40 there is a sealing web 80 for sealing a steam turbine area between the downstream end section of the low-pressure inner housing 40 and the steam turbine outer housing 20 designed.
  • the reheater 50 is arranged outside the steam turbine outer casing 20.
  • the high-pressure inner casing 30 and the low-pressure inner casing 40 are provided as separate components in a common steam turbine outer casing 20.
  • a high-pressure sealing shell 34 is arranged for partially sealing the downstream end section of the high-pressure inner housing 30.
  • a low-pressure sealing shell 44 for partially sealing the upstream end section of the low-pressure inner housing 40 is arranged.
  • the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44 are arranged adjacent to one another.
  • a further high-pressure sealing shell 35 is arranged for at least partially sealing the downstream end section of the high-pressure inner housing 30.
  • the high-pressure sealing shell 34 is designed and designed in such a way that a predeterminable leakage mass flow emerges through it and can be conducted into the area 110 between the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44.
  • the sealing shell or the sealing gap can be designed so that a predeterminable leakage mass flow passes through the sealing shell.
  • the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44 are coordinated with one another in such a way that the leakage mass flow via the high-pressure sealing shell 34 is greater than the leakage mass flow via the low-pressure sealing shell 44.
  • the leakage mass flow via the high-pressure sealing shell 34 is at least 30%, preferably at least 50 % greater than the leakage mass flow through the low-pressure sealing shell 44.
  • Figure 2 shows a detailed view Z Figure 1 . Based on Figure 2 and with reference to Figure 1 and the descriptions made for this purpose, a method according to the invention for operating a steam turbine according to the invention is explained below.
  • a high-pressure sealing shell 34 is arranged at the end portion of the high-pressure inner housing 30.
  • a low-pressure sealing shell 44 is arranged to seal the gap between the upstream end portion of the low pressure inner housing 40 and the shaft 100.
  • the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44 are arranged adjacent to one another.
  • the process steam is then passed from the first process steam inlet section 31 to the first process steam outlet section 32 and then passed through the first process steam outlet section 32 from the high-pressure inner housing 30 via the process steam deflection section 60 into the gap 70 to the reheater 50.
  • the process steam is passed through the gap 70 for cooling the steam turbine outer housing 20 or the steam turbine 1 along the high-pressure inner housing 30 and along the low-pressure inner housing 40.
  • the heated or superheated process steam is passed from the reheater 50 through the second process steam inlet section 41 into the low-pressure or medium-pressure inner housing. From there, the process steam slides into the further low-pressure inner housing 90 with the expansion direction remaining the same.
  • the low-pressure inner housing 40 and the area 110 of the shaft 100 which lies between the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44, can be heated locally.
  • an opening in the high-pressure inner housing 30 and a corresponding pipeline can be provided.
  • the steam can be removed from the inner housing via the high-pressure sealing shell 34 particularly easily and without any additional design effort.
  • the gap in the high-pressure sealing shell 34 must be designed accordingly. The hot steam can then pass from the high-pressure inner housing 30 directly into the space between the first high-pressure sealing shell 34 and the second low-pressure sealing shell 44.
  • the steam that flows out via the high-pressure sealing shell 34 has almost live steam parameters, it can be used to heat the area 110 between the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44. This results in a positive temperature distribution in terms of rotor dynamics and rotor mechanics.
  • the pressure on the outside of the low-pressure inner housing 40 is higher than on the inside, the reason for this is the pressure loss in the gap, which leads to intermediate superheating 50.
  • the process steam, which is taken from the high-pressure inner housing 30 and is conducted in the area 110 between the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44, is thus sucked into the low-pressure inner housing 40 and thereby ensures that the low-pressure inner housing 40 is heated.
  • the high-pressure sealing shell 34 and the low-pressure sealing shell 44 are coordinated so that the process steam which flows out via the high-pressure sealing shell 34 is at least 30%, preferably at least 50% larger than the leakage mass flow via the low-pressure sealing shell 44.
  • the difference in the mass flows results in a blocking mass flow being created, which prevents the penetration of cold steam flowing to the reheater 50 is prevented from entering the high-pressure sealing shell 34.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 7.
  • In Dampfkraftwerken wird zum Betreiben von Dampfturbinen als Arbeitsmedium Wasserdampf verwendet. Der Wasserdampf wird in einem Dampfkessel erwärmt und strömt als Prozessdampf über Rohrleitungen in die Dampfturbine. In der Dampfturbine wird die zuvor aufgenommene thermische Energie des Arbeitsmediums in Bewegungsenergie umgewandelt. Mittels der Bewegungsenergie wird üblicherweise ein Generator betrieben, welcher die erzeugte mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Alternativ kann die Bewegungsenergie auch zum Antreiben von Maschinen bspw. Pumpen genutzt werden. Der entspannte und abgekühlte Prozessdampf strömt in einen Kondensator, wo er durch Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher kondensiert und als Wasser erneut dem Dampfkessel zum Erhitzen zugeführt wird.
  • Übliche Dampfturbinen weisen wenigstens einen Hochdruckteil und wenigstens einen Niederdruckteil auf, die auch als Hochdruck- bzw. Niederdruckstufe bezeichnet werden. Beim Niederdruckteil sinkt die Temperatur des Prozessdampfes stark ab, wodurch es zur teilweisen Kondensation des Prozessdampfes kommen kann. Der Niederdruckteil ist dabei sehr empfindlich hinsichtlich des Nässegehaltes des Prozessdampfes. Erreicht der Prozessdampf den Niederdruckteil der Dampfturbine mit einem Nässegehalt von ca. 8 bis 10 %, sind Maßnahmen zu ergreifen, die den Nässegehalt des Prozessdampfes vor dem Eintritt in den Niederdruckteil auf ein zulässiges Maß reduzieren.
  • Um die Effizienz eines Dampfkraftwerkes zu erhöhen, wird der Prozessdampf vor dem Eintritt in den Niederdruckteil einer sogenannten Zwischenüberhitzung zugeführt. In der Zwischenüberhitzung wird der Prozessdampf erneut erhitzt, so dass der Nässegehalt sinkt. Bei dieser Zwischenüberhitzung wird der gesamte Dampfmassenstrom nach dem Hochdruckteil aus der Dampfturbine entnommen, der Zwischenüberhitzung zugeführt und annähernd auf die Temperatur des Frischdampfes angehoben. Anschließend wird der Prozessdampf dem Niederdruckteil zugeführt. Ohne eine solche Zwischenüberhitzung müsste die Dampfturbine angehalten werden, da auskondensierte Wassertropfen auf die sich drehenden Turbinenschaufeln auftreffen könnten und Schäden durch Tropfenerosion an den Turbinenschaufeln verursachen würden.
  • Bei mehrstufigen Dampfturbinen wird neben einer Hochdruck- und einer Niederdruckstufe wenigstens eine Mitteldruckstufe verwendet. Hierbei wird zwischen den einzelnen Turbinenstufen jeweils eine solche Zwischenüberhitzung des Prozessdampfes durchgeführt. Dies führt zu einer höheren Effizienz, da mittels des überhitzten Wasserdampfes effizienter mechanische Energie in den Turbinenstufen erzeugt werden kann.
  • Bei der Implementierung von Zwischenüberhitzungssystemen in Dampfturbinen wird das Material an der Außenwand, insbesondere zwischen den einzelnen Turbinenstufen hoch beansprucht. An der ersten Turbinenstufe wird der kältere Wasserdampf entnommen, dem Zwischenüberhitzer zugeführt und der aufgeheizte Prozessdampf der zweiten Turbinenstufe zugeführt. Dabei treten in der Außenwand im Übergangsbereich zwischen der ersten Turbinenstufe und der zweiten Turbinenstufe hohe Temperaturdifferenzen auf. Da das Ende der ersten Turbinenstufe, aus der der kalte Prozessdampf entnommen wird und der Beginn der zweiten Turbinenstufe, in welchem der heiße Prozessdampf aus dem Zwischenüberhitzer zugeführt wird, eng beieinander liegen, treten dort hohe thermische Spannungen in der Außenwand auf. Dies kann zu Undichtigkeiten oder zu Rissen in der Außenwand führen. Ferner besteht die Gefahr, dass bei Entnahme des kalten Prozessdampfes aus der ersten Turbinenstufe Nassdampfparameter herrschen und sich dadurch an der Innenwand des Außengehäuses Kondensat bildet. Das Kondensat kühlt die Innenseite der Außenwandung zusätzlich ab. Somit wird die thermische Spannung an der Außenwand erhöht. Damit der überhitzte Prozessdampf keine schädlichen thermischen Spannungen verursacht, wird der überhitzte Prozessdampf zur Reduktion der thermischen Spannung abgekühlt. Dies wird üblicherweise in vorgeschalteten Einströmgehäusen durchgeführt. Diese zusätzlichen Einströmgehäuse können allerdings zu Energieverlusten führen.
  • Bei einer einschaligen bzw. eingehäusigen Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung wird an zwei Stellen stark überhitzter Prozessdampf in die Turbine geleitet. Dabei wird insbesondere das Dampfturbinenaußengehäuse durch die auftretenden Temperaturen und Drücke thermisch stark belastet.
  • Die auftretenden erforderlichen Parameter liegen jedoch häufig über den möglichen Parametern einschaliger Turbinengehäuse. Die Patentanmeldung DE 10 2017 211 295 der Anmelderin schlägt daher eine Dampfturbine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dampfturbine vor, die die Nachteile weitgehend überwindet. Ähnliche Dampfturbinen sind auch bekannt von DE 690 00 984 T2 , EP 1 744 017 A1 und JP H10 89013A .
  • Die Dampfturbine weist ein Dampfturbinenaußengehäuse auf. Ferner weist die Dampfturbine ein Hochdruckinnengehäuse mit einem ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt und einem ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt zum Leiten von Prozessdampf durch das Hochdruckinnengehäuse vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt in einer ersten Prozessdampfentspannungseinrichtung auf. Weiterhin weist die Dampfturbine ein Niederdruckinnengehäuse mit einem zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt und einem zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt zum Leiten von Prozessdampf durch das Niederdruckinnengehäuse vom zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt zum zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt in einer zweiten Prozessdampfentspannungsrichtung auf. Außerdem weist die Dampfturbine einen Zwischenüberhitzer auf, der stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses und stromabwärts des Niederdruckinnengehäuses angeordnet ist, wobei das Hochdruckinnengehäuse und das Niederdruckinnengehäuse innerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses angeordnet sind.
  • Das Hochdruckinnengehäuse und das Niederdruckinnengehäuse sind derart angeordnet, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt des Hochdruckinnengehäuses dem zweiten Dampfeintrittsabschnitt des Niederdruckinnengehäuses zugewandt ist. Darunter, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt des Hochdruckinnengehäuses dem zweiten Dampfeintrittsabschnitt des Niederdruckinnengehäuses zugewandt ist, versteht man, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt des Hochdruckinnengehäuses in die entgegengesetzte Richtung oder im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung wie der zweite Dampfeintrittsabschnitt des Niederdruckinnengehäuses zeigt, bzw. ausgerichtet ist. Entsprechend verläuft die erste Prozessdampfentspannungsrichtung entgegen oder im Wesentlichen entgegen zur zweiten Prozessdampfentspannungsrichtung.
  • Das Hochdruckinnengehäuse und das Niederdruckinnengehäuse sind somit derart angeordnet, dass eine Prozessdampfflutrichtung durch das Hochdruckinnengehäuse entgegengesetzt, insbesondere um 180° entgegengesetzt, zu einer Prozessdampfflutrichtung durch das Niederdruckinnengehäuse verläuft.
  • Unter Verwendung einer solchen Dampfturbine kann überhitzter Prozessdampf, in Form von Frischdampf, in das entgegen einer Dampfrichtung gedrehte Hochdruckinnengehäuse zugeführt werden und bis auf das Druck- und Temperaturniveau einer sogenannten kalten Zwischenüberhitzung entspannt werden. Nachdem der Prozessdampf aus dem Hochdruckinnengehäuse ausgetreten ist, kann der Prozessdampf zum Zwischenüberhitzer geführt werden. Zwischenüberhitzter Prozessdampf aus dem Zwischenüberhitzer kann dann in das in eine Hauptströmungsrichtung gewandte Niederdruckinnengehäuse gleiten und dort bis auf Kondensationsdruck in der Dampfturbine entspannen.
  • Unter dem Niederdruckinnengehäuse ist ein Innengehäuse zu verstehen, in welchem zumindest im Mittel ein niedrigerer Druck als im Hochdruckinnengehäuse herrscht bzw. entsteht. D.h., unter dem Niederdruckinnengehäuse kann auch insbesondere ein Mitteldruckinnengehäuse verstanden werden.
  • Unter dem Prozessdampf ist Dampf, insbesondere Wasserdampf, zu verstehen, der während des Betriebs der Dampfturbine durch Bauteile der Dampfturbine strömt.
  • Durch die Anordnung des Hochdruckinnengehäuses und des Niederdruckinnengehäuses können erregende Kräfte im Niederdruckinnengehäuse minimiert werden, da lediglich die Druckdifferenz aus der Zwischenüberhitzung wirkt. Prozessdampf kann zur weiteren Entspannung direkt in das nächste Bauteil, bspw. ein weiteres Niederdruckinnengehäuse, geleitet werden und muss nicht erst umgeleitet werden.
  • Unter einer Entspannungsrichtung ist eine Richtung zu verstehen, in welcher sich der Prozessdampf im Wesentlichen bewegt bzw. geleitet wird. D.h., wenn sich der Prozessdampf in einen Dampfturbinenabschnitt, bspw. von links nach rechts bewegt, ist darunter vereinfacht betrachtet eine lineare Entspannungsrichtung nach rechts zu verstehen. Ferner ist vorliegend unter einer Entspannungsrichtung eine Druckrichtung von einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich bzw. in einen Druckbereich mit einem niedrigeren Druck als im Hochdruckbereich zu verstehen. Entsprechend ist über einen stromaufwärtigen Dampfturbinenabschnitt ein Abschnitt zu verstehen, der entgegen der Entspannungsrichtung angeordnet ist.
  • Die Tatsache, dass das Hochdruckinnengehäuse zunächst vom kalten Dampf, welcher zur Zwischenüberhitzung geführt wird, überströmt wird und anschließend vom heißen von der Zwischenüberhitzung kommenden Dampf durchströmt wird, stellt immer noch eine hohe Herausforderung dar. Des Weiteren besteht die zu verhindernde Möglichkeit, dass der kalte zur Zwischenüberhitzung geführte Dampf aufgrund des Druckverlustes in der Zwischenüberhitzung in das Niederdruckinnengehäuse eingesaugt wird. Diese Nachteile des Standes der Technik versucht die vorliegende Erfindung zu beseitigen.
  • Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Dampfturbine wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben einer solchen Dampfturbine wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Dampfturbine zur Verfügung gestellt. Die Dampfmaschine weist ein Dampfturbinenaußengehäuse auf. Ferner weist die Dampfturbine ein Hochdruckinnengehäuse mit einem ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt und einem ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt zum Leiten von Prozessdampf durch das Hochdruckinnengehäuse vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt in einer ersten Prozessentspannungseinrichtung auf. Des Weiteren weist die Dampfturbine ein Niederdruckinnengehäuse mit einem zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt und einem zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt zum Leiten von Prozessdampf durch das Niederdruckinnengehäuse vom zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt zum zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt in einer zweiten Prozessdampfentspannungseinrichtung auf. Des Weiteren weist die Dampfturbine einen Zwischenüberhitzer zum Zwischenüberhitzen von Prozessdampf, welcher stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses und stromaufwärts des Niederdruckinnengehäuses entnehmbar ist, auf. Wobei das Hochdruckinnengehäuse und das Niederdruckinnengehäuse innerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses angeordnet sind und das Hochdruckinnengehäuse und das Niederdruckinnengehäuse derart angeordnet sind, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt des Hochdruckinnengehäuses dem zweiten Dampfeintrittsabschnitt des Niederdruckinnengehäuses zugewandt ist und wobei ferner stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses ein Prozessdampfumlenkabschnitt zum Umlenken von Prozessdampf aus den ersten Dampfaustrittsabschnitt in eine Richtung entgegen der ersten Dampfentspannungseinrichtung in einen Spalt, welcher sich zwischen einer Innenwandung des Dampfturbinenaußengehäuses und einer Außenwandung des Hochdruckinnengehäuses und zumindest abschnittsweise zwischen der Innenwandung des Dampfturbinenaußengehäuses und einer Außenwandung des Niederdruckinnengehäuses erstreckt, ausgebildet ist. Und wobei an einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses, an welchem der erste Prozessdampfeintrittsabschnitt ausgestaltet ist, eine Hochdruckdichtschale zum zumindest teilweisen Abdichten des stromaufwärtigen Endabschnittes des Hochdruckinnengehäuses und an einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses, an welchem der zweite Prozessdampfendabschnitt ausgestaltet ist, eine Niederdruckdichtschale zum zumindest teilweisen Abdichten des stromaufwärtigen Endabschnitts des Niederdruckinnengehäuses angeordnet sind, und wobei die Hochdruckdichtschale und die Niederdruckdichtschale benachbart zueinander angeordnet sind. Wobei das Hochdruckinnengehäuse erfindungsgemäß derart ausgebildet ist, dass Prozessdampf dem Hochdruckinnengehäuse entnehmbar und in einem Bereich zwischen der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale leitbar ist. Der Prozessdampf, der dem Hochdruckinnengehäuse entnehmbar ist, wird direkt auf Zwischenüberhitzungsparameter gedrosselt, ohne Arbeit zu verrichten. Hierdurch ist der Dampf deutlich wärmer als der Prozessdampf, der innerhalb der ersten Dampfentspannungseinrichtung entspannt wurde. Der entnommene Prozessdampf kann dadurch dazu genutzt werden, um ihn in einen Bereich der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale zu leiten, um dort den Bereich und insbesondere das zweite Innengehäuse lokal zu erwärmen. Hierdurch kann es nicht zu sogenannten Cold Spots am Rotor und im Bereich des zweiten Dampfeintrittsabschnittes des Niederdruckinnengehäuses kommen. Hierdurch ergibt sich eine sowohl rotormechanisch als auch rotordynamisch positive Temperaturverteilung. Aufgrund der geringeren thermisch getriebenen Verformung am Niederdruckinnengehäuse können die Spiele zwischen dem Rotor der Dampfturbine und dem Innengehäuse kleiner eingestellt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Dampfturbine. Durch das aufgeprägte Temperaturfeld können zudem höhere absolute Temperaturdifferenzen der Zwischenüberhitzung realisiert werden, was wiederum den Prozesswirkungsgrad der Gesamtanlage steigert. Der Einsatzbereich der Single-Case-Reheat-Turbine, d.h. der Turbine mit einem einzigen Außengehäuse wird hierdurch vergrößert. Dies hat deutliche Kostenvorteile im Vergleich zur alternativen Multicase-Turbine, bei der mehrere Außengehäuse eingesetzt werden. Somit können kostengünstigere Turbinen in einem breiteren Leistungsbereich angeboten werden.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hochdruckdichtschale so ausgebildet ist, dass ein vorgebbarer Leckage-Massenstrom über die Hochdruckdichtschale in einem Bereich zwischen der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale leitbar ist. Dadurch, dass die Hochdruckdichtschale so ausgebildet ist, dass ein hinreichend großer Dampfmassenstrom (Leckage-Strom) durch die Hochdruckdichtschale in den Bereich zwischen der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale leitbar ist, kann der Zwischenraum zwischen den beiden Dichtschalen entsprechend erwärmt werden, so dass die rotormechanischen und rotordynamischen Eigenschaften hinsichtlich der Temperatur positiv beeinflusst werden, so dass keine Cold Spots am Rotor entstehen und der Bereich des zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitts entsprechend vorgewärmt wird. Auf die zusätzliche Ausbildung von Leitungen und Durchbrüchen innerhalb der ersten Entspannungseinrichtung kann somit verzichtet werden, wodurch sich der konstruktive Aufwand deutlich verringert. Im Prinzip wird der an sich vorhandene Leckage-Strom der Hochdruckdichtschale zum Erwärmen verwendet, wobei die Hochdruckdichtschale so ausgelegt werden muss, dass der Leckage-Massenstrom höher ist, als dies technisch bedingt notwendig wäre. Der Leckage-Massenstrom lässt sich dabei einfach über eine entsprechnde Vergrößerung des Spaltes zwischen den Dichtschalen und dem Rotor bestimmen bzw. einstellen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hochdruckdichtschale und die Niederdruckdichtschale derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Leckage-Massenstrom über die Hochdruckdichtschale größer ist, als der Leckage-Massenstrom über die Niederdruckdichtschale. Vorzugsweise ist dabei der Leckage-Massenstrom über die Hochdruckdichtschale mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer als der Leckage-Massenstrom über die Niederdruckdichtschale. Durch die Differenz der Massenströme ergibt sich ein Sperrmassenstrom, der ein Eindringen des kalten Zwischenüberhitzungsdampfes in die Niederdruckdichtschale und damit in die zweite Entspannungseinrichtung verhindert. Der heiße Leckage-Massenstrom aus der ersten Entspannungseinrichtung sorgt dabei für ein Vorheizen des Rotors zwischen der ersten Dichtschale und der zweiten Dichtschale und für ein Vorheizen, insbesondere des zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitts an der zweiten Entspannungseinrichtung.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an einem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses ein Dichtsteg zum Abdichten eines Dampfturbinenbereiches zwischen dem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses und dem Dampfturbinenaußengehäuse ausgestaltet ist. Bei der vorliegenden Dampfturbine wird das Niederdruckinnengehäuse während eines Betriebs mit Prozessdampf umströmt. Während das Hochdruckinnengehäuse zum Niederdruckinnengehäuse durch den Dichtsteg getrennt ist, der vorzugsweise als integrierter Dichtsteg am stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses ausgestaltet ist. Unter Verwendung des Dichtstegs kann auf eine innere Dichtschale am stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses verzichtet werden. Der Dichtsteg weist einen deutlich weniger komplexen Aufbau wie eine Dichtschale auf. An dieser Stelle sei erwähnt, dass vorliegend unter einer Dichtschale eine dem Stand der Technik übliche Dichtschale zu verstehen ist, welche vorliegend deshalb nicht im Detail beschrieben wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zwischenüberhitzer außerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses angeordnet ist. Dies ist insbesondere mit Blick auf die Montage, Demontage, Wartung und Reparatur von Vorteil.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend im Detail dargestellten Dampfturbine zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Dampfturbine beschrieben worden sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • Leiten von Prozessdampf von einer Prozessdampfquelle durch den ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt in das Hochdruckinnengehäuse,
    • Leiten des Prozessdampfes vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt, und
    • Leiten des Prozessdampfes durch den ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt aus dem Hochdruckinnengehäuse über den Prozessdampfumlenkabschnitt und den Spalt zum Zwischenüberhitzer sowie,
    • Entnehmen eines Teiles des Prozessdampfes aus dem Hochdruckinnengehäuse entspannen dieses Teils des Prozessdampfes auf Zwischenüberhitzungsparameter und Einleiten des entnommenen Prozessdampfes in dem Bereich zwischen der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale.
  • Durch das Verfahren ergibt sich eine rotormechanische und rotordynamische positive Temperaturverteilung. Durch das aufgeprägte Temperaturfeld können höhere absolute Temperaturdifferenzen der Zwischenüberhitzung realisiert werden und damit der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der entnommene Prozessdampf (Leckage-Dampfes), über die Hochdruckdichtschale in den Bereich zwischen der Hochdruckdichtschale und der Niederdruckdichtschale geleitet wird. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem konstruktivem Aufwand und damit kostengünstig realisiert werden. Die Umrüstung bestehender Dampfturbinen auf den beschriebenen Prozess ist mit einfachen Mitteln zu bewerkstelligen.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigt:
    • Figur 1
    den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Dampfturbine;
    Figur 2
    die Detailansicht Z, in der das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert wird.
  • Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemä-ßen Dampfturbine 1. Die Dampfturbine 1 weist ein Dampfturbinenaußengehäuse 20 auf, in welchem sich ein Hochdruckinnengehäuse 30, ein Niederdruckinnengehäuse 40 in Form eines Mitteldruckinnengehäuses sowie ein weiteres Niederdruckinnengehäuse 90 befindet. Stromaufwärts zum Hochdruckinnengehäuse 30 ist eine Frischdampf- bzw. Prozessdampfquelle 10 zum Zuführen von Prozessdampf zum Hochdruckinnengehäuse 30 angeordnet. Das Hochdruckinnengehäuse 30 weist einen ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt 31 und einen ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt 32 zum Leiten von Prozessdampf durch das Hochdruckinnengehäuse 30 vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt 31 zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt 32 in einer ersten Prozessdampfentspannungseinrichtung 33 auf. Das Niederdruckinnengehäuse 40 weist einen zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt 41 und einen zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt 42 zum Leiten von Prozessdampf durch das Niederdruckinnengehäuse 40 vom zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt 41 zum zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt 42 in einer zweiten Prozessdampfentspannungseinrichtung 43 auf. Die Dampfturbine 1 weist ferner einen Zwischenüberhitzer 50 auf, der stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses 30 und stromaufwärts des Niederdruckinnengehäuses 40 angeordnet ist. Die Anordnung bezieht sich dabei nicht auf eine räumliche, sondern auf eine strömungstechnische Anordnung.
  • Wie in Figur 1 dargestellt, sind das Hochdruckinnengehäuse 30 und das Niederdruckinnengehäuse 40 derart angeordnet, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt 31 des Hochdruckinnengehäuses 30 dem zweiten Dampfeintrittsabschnitt 41 des Niederdruckinnengehäuses 40 zugewandt ist.
  • Stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses 30 weist die Dampfturbine 1 einen Prozessdampfumlenkabschnitt 60 zum Umlenken von Prozessdampf aus dem ersten Dampfaustrittsabschnitt 32 in eine Richtung entgegen der ersten Dampfentspannungseinrichtung 33 in einen Spalt 70 der Dampfturbine 1 auf. Der Spalt 70 erstreckt sich zwischen dem Dampfturbinenaußengehäuse 20 und dem Hochdruckinnengehäuse 30 sowie zumindest abschnittsweise zwischen dem Dampfturbinengehäuse 20 und dem Niederdruckinnengehäuse 40. An einem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses 40 ist ein Dichtsteg 80 zum Abdichten eines Dampfturbinenbereichs zwischen dem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses 40 und dem Dampfturbinenaußengehäuse 20 ausgestaltet. Der Zwischenüberhitzer 50 ist außerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses 20 angeordnet. Das Hochdruckinnengehäuse 30 und das Niederdruckinnengehäuse 40 sind als separate Bauteile in einem gemeinsamen Dampfturbinenaußengehäuse 20 bereitgestellt.
  • Am stromaufwärtigen Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses 30, an welchem der erste Prozessdampfeintrittsabschnitt 31 ausgestaltet ist, ist eine Hochdruckdichtschale 34 zum teilweise Abdichten des stromabwärtigen Endabschnittes des Hochdruckinnengehäuses 30 angeordnet. Außerdem ist am stromaufwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses 40, an welchem der zweite Prozessdampfeintrittsabschnitt 41 ausgestaltet ist, eine Niederdruckdichtschale 44 zum teilweise Abdichten des stromaufwärtigen Endabschnittes des Niederdruckinnengehäuses 40 angeordnet. Die Hochdruckdichtschale 34 und die Niederdruckdichtschale 44 sind benachbart zueinander angeordnet. An einem stromabwärtigen Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses 30, an welchem der erste Prozessdampfaustrittsabschnitt 32 ausgestaltet ist, ist eine weitere Hochdruckdichtschale 35 zum zumindest teilweise Abdichten des stromabwärtigen Endabschnittes des Hochdruckinnengehäuses 30 angeordnet. Die Hochdruckdichtschale 34 ist derart ausgelegt und ausgebildet, dass über sie ein vorgebbarer Leckage-Massenstrom austreten und in den Bereich 110 zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 leitbar ist. Bei vorgegebenem Dampfdruck und Dampftemperatur kann die Dichtschale bzw. der Dichtspalt so ausgelegt werden, dass ein vorgebbarer Leckage-Massenstrom durch die Dichtschale hindurchtritt. Die Hochdruckdichtschale 34 und die Niederdruckdichtschale 44 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Leckage-Massenstrom über die Hochdruckdichtschale 34 größer ist als der Leckage-Massenstrom über die Niederdruckdichtschale 44. Vorzugsweise ist der Leckage-Massenstrom über die Hochdruckdichtschale 34 mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer als der Leckage-Massenstrom über die Niederdruckdichtschale 44.
  • Figur 2 zeigt eine Detailansicht Z aus Figur 1. An Hand der Figur 2 und mit Bezugnahme auf Figur 1 und den dazu gemachten Beschreibungen wird nachfolgend ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Dampfturbine erläutert.
  • Um den Spalt zwischen der Welle 100 und den stromaufwärtigen Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses 30 abzudichten, ist eine Hochdruckdichtschale 34 am Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses 30 angeordnet. Zur Abdichtung des Spaltes zwischen dem stromaufwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses 40 und der Welle 100 ist eine Niederdruckdichtschale 44 angeordnet. Die Hochdruckdichtschale 34 und die Niederdruckdichtschale 44 sind benachbart zueinander angeordnet. Während des Betriebs der Dampfturbine wird zunächst Prozessdampf von der Prozessdampfquelle 10 durch den ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt 31 in das Hochdruckinnengehäuse 30 geleitet. Anschließend wird der Prozessdampf vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt 31 zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt 32 geleitet und danach durch den ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt 32 aus dem Hochdruckinnengehäuse 30 über den Prozessdampfumlenkabschnitt 60 in den Spalt 70 zum Zwischenüberhitzer 50 geleitet. Hierbei wird der Prozessdampf durch den Spalt 70 zum Kühlen des Dampfturbinenaußengehäuses 20 bzw. der Dampfturbine 1 entlang des Hochdruckinnengehäuses 30 sowie entlang des Niederdruckinnengehäuses 40 geleitet. Nachdem der Prozessdampf im Zwischenüberhitzer 50 bei gleichem Druck auf eine vordefinierte Temperatur erhitzt wurde, wird der erhitzte bzw. überhitzte Prozessdampf aus dem Zwischenüberhitzer 50 durch den zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt 41 in das Niederdruck- bzw. Mitteldruckinnengehäuse geleitet. Von dort wird der Prozessdampf bei gleichbleibender Entspannungsrichtung in das weitere Niederdruckinnengehäuse 90 gleitet. Dort kann der Prozessdampf weiter entspannen und schließlich kondensieren. Um zu verhindern, dass der abgekühlte Dampf, welcher der Zwischenüberhitzung 50 zugeführt wird aufgrund des Druckverlustes in der Zwischenüberhitzung in den Spalt zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 sowie in das Niederdruckinnengehäuse 40 eingesaugt wird, wird Dampf aus dem ersten Hochdruckinnengehäuse 30 Dampf entnommen und direkt auf Zwischenüberhitzungsparameter gedrosselt, ohne Arbeit zu verrichten und dieser Dampf direkt in den Spalt zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 geleitet.
  • Hierdurch kann lokal das Niederdruckinnengehäuse 40 sowie der Bereich 110 der Welle 100, welcher zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 liegt, lokal erwärmt werden. Um den heißen Dampf dem Hochdruckinnengehäuse 30 zu entnehmen, kann eine Öffnung im Hochdruckinnengehäuse 30 und eine entsprechende Rohrleitung vorgesehen werden. Besonders einfach und ohne konstruktiven zusätzlichen Aufwand kann der Dampf dem Innengehäuse allerdings über die Hochdruckdichtschale 34 entnommen werden. Hierzu muss der Spalt der Hochdruckdichtschale 34 entsprechend ausgelegt sein. Der heiße Dampf kann dann aus dem Hochdruckinnengehäuse 30 direkt in den Zwischenraum zwischen der ersten Hochdruckdichtschale 34 und der zweiten Niederdruckdichtschale 44 gelangen. Da der Dampf, der über die Hochdruckdichtschale 34 ausströmt nahezu Frischdampfparameter aufweist, kann er dazu genutzt werden, den Bereich 110 zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 zu erwärmen. Hierdurch ergibt sich rotordynamisch und rotormechanisch eine positive Temperaturverteilung. Auf der Außenseite des Niederdruckinnengehäuses 40 ist der Druck höher, als auf der Innenseite,Grund hierfür ist der Druckverlust im Spalt, welcher zur Zwischenüberhitzung 50 führt. Der Prozessdampf, der dem Hochdruckinnengehäuse 30 entnommen wird und in dem Bereich 110 zwischen der Hochdruckdichtschale 34 und der Niederdruckdichtschale 44 geleitet wird, wird somit in das Niederdruckinnengehäuse 40 eingesaugt und sorgt dabei für eine Erwärmung des Niederdruckinnengehäuse 40. Die Hochdruckdichtschale 34 und die Niederdruckdichtschale 44 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Prozessdampf, welcher über die Hochdruckdichtschale 34 ausströmt mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50 % größer ist als der Leckage-Massenstrom über die Niederdruckdichtschale 44. Die Differenz der Massenströme führt dazu, dass ein Sperrmassenstrom entsteht, welcher das Eindringen von kaltem, zum Zwischenüberhitzer 50 strömenden Dampf in die Hochdruckdichtschale 34 verhindert.

Claims (8)

  1. Dampfturbine (1), aufweisend ein Dampfturbinenaußengehäuse (20), ein Hochdruckinnengehäuse (30) mit einem ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt (31) und einem ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt (32) zum Leiten von Prozessdampf durch das Hochdruckinnengehäuse (30) vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt (31) zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt (32) in einer ersten Prozessdampfentspannungsrichtung (33), ein Niederdruckinnengehäuse (40) mit einem zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt (41) und einem zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt (42) zum Leiten von Prozessdampf durch das Niederdruckinnengehäuse (40) vom zweiten Prozessdampfeintrittsabschnitt (41) zum zweiten Prozessdampfaustrittsabschnitt (42) in einer zweiten Prozessdampfentspannungsrichtung (43), und einen Zwischenüberhitzer (50), zum zwischenüberhitzen von Prozessdampf welcher stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses (30) und stromaufwärts des Niederdruckinnengehäuses (40) entnehmbar ist, wobei
    - das Hochdruckinnengehäuse (30) und das Niederdruckinnengehäuse (40) innerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses (20) angeordnet sind,
    - das Hochdruckinnengehäuse (30) und das Niederdruckinnengehäuse (40) derart angeordnet sind, dass der erste Dampfeintrittsabschnitt (31) des Hochdruckinnengehäuses (30) dem zweiten Dampfeintrittsabschnitt (41) des Niederdruckinnengehäuses (40) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    - stromabwärts des Hochdruckinnengehäuses (30) ein Prozessdampfumlenkabschnitt (60) zum Umlenken von Prozessdampf aus dem ersten Dampfaustrittsabschnitt (32) in eine Richtung entgegen der ersten Dampfentspannungsrichtung (33) in einen Spalt (70), welcher sich zwischen einer Innenwandung des Dampfturbinenaußengehäuses (20) und einer Außenwandung des Hochdruckinnengehäuses (30) und zumindest abschnittsweise zwischen der Innenwandung des Dampfturbinenaußengehäuses (20) und einer Außenwandung des Niederdruckinnengehäuses (40) erstreckt, ausgebildet ist,
    - an einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Hochdruckinnengehäuses (30), an welchem der erste Prozessdampfeintrittsabschnitt (31) ausgestaltet ist, eine Hochdruckdichtschale (34) zum zumindest teilweisen Abdichten des stromaufwärtigen Endabschnitts des Hochdruckinnengehäuses (30) und an einem stromaufwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses (40), an welchem der zweite Prozessdampfeintrittsabschnitt (41) ausgestaltet ist, eine Niederdruckdichtschale (44) zum zumindest teilweisen Abdichten des stromaufwärtigen Endabschnitts des Niederdruckinnengehäuses (40) angeordnet sind, und wobei die Hochdruckdichtschale (34) und die Niederdruckdichtschale (44) benachbart zueinander angeordnet sind,
    wobei das Hochdruckinnengehäuse (30) derart ausgebildet ist, dass Prozessdampf dem Hochdruckinnengehäuse (30) entnehmbar und in einen Bereich (110) zwischen der Hochdruckdichtschale (34) und der Niederdruckdichtschale (44) leitbar ist.
  2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hochdruckdichtschale so ausgebildet ist, dass ein vorgebbarer Leckagemassenstrom über die Hochdruckdichtschale (34) in einen Bereich(110) zwischen der Hochdruckdichtschale (34) und der Niederdruckdichtschale (44) leitbar ist.
  3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hochdruckdichtschale (34) und der Niederdruckdichtschale (44) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Leckagemassenstrom über die Hochdruckdichtschale (34) größer ist als ein Leckagemassenstrom über die Niederdruckdichtschale (44).
  4. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Leckagemassenstrom über die Hochdruckdichtschale (34) mindestens 30% vorzugsweise mindestens 50% größer ist als der Leckagemassenstrom über die Niederdruckdichtschale (44) .
  5. Dampfturbine (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an einem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses (40) ein Dichtsteg (80) zum Abdichten eines Dampfturbinenbereichs zwischen dem stromabwärtigen Endabschnitt des Niederdruckinnengehäuses (40) und dem Dampfturbinenaußengehäuse (20) ausgestaltet ist.
  6. Dampfturbine (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Zwischenüberhitzer außerhalb des Dampfturbinenaußengehäuses (20) angeordnet ist.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte:
    - Leiten von Prozessdampf von einer Prozessdampfquelle (10) durch den ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt (31) in das Hochdruckinnengehäuse (30),
    - Leiten des Prozessdampfes vom ersten Prozessdampfeintrittsabschnitt (31) zum ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt (32), und
    - Leiten des Prozessdampfes durch den ersten Prozessdampfaustrittsabschnitt (32) aus dem Hochdruckinnengehäuse (30) über den Prozessdampfumlenkabschnitt und den Spalt (70) zum Zwischenüberhitzer (50)
    - entnehmen eines Teils des Prozessdampf aus dem Hochdruckinnengehäuse (30), entspannen dieses Teils des Prozessdampfes auf Zwischenüberhitzungsparameter und einleiten des entnommenen Prozessdampfes in den Bereich (110) zwischen der Hochdruckdichtschale (34) und der Niederdruckdichtschale (44).
  8. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der entnommene Prozessdampf Leckagedampf ist, welcher über die Hochdruck-Dichtschale (34) in den Bereich(110)zwischen der Hochdruckdichtschale (34) und der Niederdruckdichtschale (44) geleitet wird.
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