EP4022177A1 - Verfahren zur regelung der eintrittstemperatur eines arbeitsfluides einer dampfturbine bei schwankender bereitstellung thermischer energie - Google Patents

Verfahren zur regelung der eintrittstemperatur eines arbeitsfluides einer dampfturbine bei schwankender bereitstellung thermischer energie

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EP4022177A1
EP4022177A1 EP20789478.3A EP20789478A EP4022177A1 EP 4022177 A1 EP4022177 A1 EP 4022177A1 EP 20789478 A EP20789478 A EP 20789478A EP 4022177 A1 EP4022177 A1 EP 4022177A1
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EP
European Patent Office
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temperature
working fluid
steam turbine
steam
control valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20789478.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Haje
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4022177A1 publication Critical patent/EP4022177A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • 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
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • 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
    • F01K7/00—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
    • 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
    • F01K7/165—Controlling means specially adapted therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the inlet temperature of a working fluid in a steam turbine when the supply of thermal energy fluctuates.
  • CSP power plants are designed in particular in the form of paraboir power plants with solar generating units.
  • these solar generator units are parabolic mirrors which have a pipeline for a heat transfer medium (eg heat transfer oil) in their focal line area. In this focal line, the heat transfer medium is heated when exposed to sunlight and then brought into contact with water or steam (or generally a working fluid) via a heat exchanger.
  • Superheated steam is generated by heat transfer, which drives a steam turbine of the solar power plant in a steam circuit.
  • the thermal energy available for heating / evaporating a working fluid can fluctuate greatly due to fluctuating solar radiation, for example through cloudy clouds.
  • thermomechanical stress In order to keep the stress within permissible limits, the temperature of the working fluid supplied to the steam turbine is measured and monitored. In the event of excessive changes within a short period of time, the steam turbine is switched off (snap shot) by interrupting the steam supply. This should be thermomechanically caused damage (cracking) of components to be avoided.
  • the object is achieved by the features of independent claim 1.
  • An alternative solution to the problem results from the features of independent claim 3.
  • the method provides a certain temperature band within which the temperature changes can move without this leading to a change in the control valve position. It is only when the band limits are exceeded or not reached that the position of the control valve changes.
  • the temperature change due to pervasive cloud cover typically consists of a brief temperature jump followed by a further slower drop in temperature. The temperature change is not a problem for as long as it does not cause any change in the control valve position as long as the temperature change is within the specified temperature range.
  • short-term (immediately) permissible temperature jumps are around 20-30K and the subsequent permissible slow temperature drop is around 1-3K / min.
  • the control valve In the event of an impermissibly high drop in temperature and thus falling below the band limit, the control valve would close easily, which would lead to a number of positive effects and in many cases could avoid an emergency shutdown.
  • closing the control valve leads to the following effects: the evaporation temperature in the steam generator belonging to the steam turbine system increases due to the pressure increase; the temperature of a superheater decreases because of the lower mass flow rate and the higher density; the temperature of the steam in the inflowing Dampflei lines falls less due to the compression of the steam (back pressure); the pressure in the turbine, the decisive variable for the heat transfer between the steam and the turbine components, drops so that a higher allowance (temperature jump / temperature change) is possible; In the medium term (a few minutes) the temperature of the heat transfer medium can be kept stable because it cools less than an unregulated solution.
  • the method according to the invention according to claim 1 thus works as a "limiter", ie the maximum deviation per time is specified.
  • the limits (upper and lower band) are to be selected so that an emergency shutdown is only triggered when an actual risk to the components from thermomechanical stress is to be feared.
  • the intervention of the "limiter” would cause a (heat-related) reduction in performance, but it would prevent a quick action and thus the termination of the mechanical energy supply.
  • the "Limiter” would disengage and the control valve would be opened again. This means that the entire power would be available again. Since the turbine components have cooled down less because of the "Limiter” intervention, there is still the temperature jump upwards (upper band limit) is almost completely available.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the temperature band does not have any fixed absolute limits, but rather shifts with the heating state of the steam turbine. If the temperature of the steam turbine drops, for example due to prolonged cloud cover, the temperature range also shifts to a lower mean temperature. In this way, it can be prevented that even with a slowly falling temperature, which does not cause inadmissibly high thermomechanical stresses, the lower band limit is undershot and the control of the steam turbine is not intervened.
  • the second inventive method for regulating the inlet temperature of a working fluid of a steam turbine, with fluctuating supply of thermal energy, for heating / evaporation of the working fluid of the steam turbine wherein the steam turbine comprises at least one control valve via which, by changing the control valve position, a control of the
  • the mass flow of the working fluid flowing into the steam turbine is characterized in that the mass flow of the working fluid that is fed to the steam turbine is regulated by changing the control valve position in such a way that the temperature of the working fluid is kept essentially constant.
  • essentially means within the fluctuation range specified by the regulation.
  • the regulation does not only intervene in the second method according to the invention when the thermome mechanical stress reaches a critical value, but instead regulates the temperature of the working fluid continuously and acts to make the temperature of the working fluid more uniform.
  • the control differs significantly from the previous control types, speed control, pressure control and power control, which also act via the control valve position of the turbine.
  • the control types are for conventional le steam turbines are well suited, but lead to undesired quick-action connections or high thermomechanical loads, especially in solar power plants.
  • With the proposed temperature control on the other hand, the fluctuations in the supply of heat inherent in the solar thermal processes can be compensated for by means of a control system intervention, without the dead band present in the case of a limiter.
  • the regulation can, for example, regulate a predetermined temperature or a temperature determined on a rolling basis from measurement data.
  • the control valve position is adjusted so that the expected temperature fluctuations are compensated as directly as possible. In this way, the temperature fluctuations in the turbine can be reduced to a minimum.
  • the inventive method for regulating the inlet temperature of a working fluid of a steam turbine with a fluctuating supply of thermal energy are not limited to the live steam, but can also be used before geous for reheating steam or additional steam.
  • FIG. 2 An exemplary steam temperature distribution on a cloudy day in a CSP power plant with conventional control of the turbine.
  • Fig. 1 shows a CSP power plant which is suitable for operation with the method according to the invention.
  • the CSP power plant is designed as a Paraboir internal power plant.
  • the process could easily be applied to a solar tower power plant.
  • the CSP power plant comprises two fluid circuits, a solar thermal circuit 5 and a water-steam circuit 6.
  • the solar thermal circuit 5 comprises a number of Para bolapt 7 through whose focal lines pipes are passed, which are filled with a heat transfer fluid, for example egg nem thermal oil or a salt solution.
  • a heat transfer fluid for example egg nem thermal oil or a salt solution.
  • the heat transfer fluid is heated by the solar radiation; the heat transfer fluid can reach temperatures of around 400 ° C in solar tower power plants even up to 600 ° C.
  • the heated heat transfer fluid circulates within the solar thermal circuit 5.
  • a plurality of fluid pumps 8, 9 are arranged within the solar thermal circuit 5.
  • the heat transfer fluid can transfer heat to the water-steam circuit 6 in a fluid-communicating manner via heat exchangers, or it can be fed to a heat accumulator 10, where it can be stored and, when the sun's rays decrease (for example at night or when the clouds are rising), the solar thermal circuit 5 again to be made available.
  • mixed operation is also possible, in which part of the heat is made available to the heat storage device 10 and another part to the water-steam circuit 6.
  • the scheme can be simple Way by means of a control valve 11, which are arranged in the solarthermi circuit 5 take place.
  • the water-steam circuit 6 comprises an evaporator 12, such as a first superheater 13.
  • the evaporator 12 and the first superheater 13 are designed as heat exchangers and are connected to the solar thermal circuit 5 in a fluid-communicating manner.
  • the heat can be transferred from the heat transfer fluid of the thermal circuit 5 to the water-steam circuit 6.
  • the water in the water-steam circuit 6 is evaporated in the evaporator 12 and then brought to live steam parameters in the superheater 13.
  • the live steam can then be fed to the steam turbine via a live steam line 14.
  • the steam turbine has a high pressure part 1 (HP part) and a medium pressure part 2 (MD part).
  • the live steam is first fed into the entry area of the high pressure part 1 and relaxes within the high pressure part 1, then the relaxed steam leaves the high pressure part 1 via a discharge area and is subjected to reheating.
  • the inter mediate overheating has a further heat exchanger 15, which is also coupled to the solar thermal circuit 5.
  • the steam is heated to approximately the live steam temperature at constant pressure and passed via a reheating line 16 into the inlet area of the MD part 2.
  • There the steam is expanded again and fed via the outlet area to a condenser 17 in which the steam condenses and from where it can be fed back to the evaporator 12.
  • the thermal energy of the steam is converted into mechanical energy. This mechanical energy can be converted into electrical current with the aid of a generator 18 coupled to the steam turbine.
  • a control valve 3, 4 is arranged in the main steam line 14 and in the intermediate superheating line 16. net.
  • the control valves 3, 4 are connected to a control device 19, which transmits the corresponding control signals to the control valves 3, 4.
  • the control device 19 also includes temperature sensors 20, 21 which detect the ACTUAL temperature (Ti ST) of the steam in the main steam line 14 and the intermediate overheating line 16.
  • FIG. 2 shows an exemplary steam temperature distribution on a cloudy day in a CSP power plant.
  • the temperature of the steam that is fed to the steam turbine fluctuates between about 340 ° C and 380 ° C during the course of the day due to the cloud fields moving through. As long as the temperature fluctuations are only slight, this has no effect on the operation of the CSP power plant. Larger temperature changes within a shorter time, however, represent a high thermomechanical stress for hot-going components of the steam turbine.
  • the steam temperatures Ti S supplied to the steam turbine are measured and monitored by the control device 19. If the steam temperature T IST changes too much within a short period of time, the steam turbine is switched off (emergency shutdown).
  • the steam supply is completely interrupted so that there is no longer any power.
  • the quick-action closure is intended to prevent thermomechanical damage to the components.
  • the monitored limit values typically include a short-term permissible temperature jump (20-30K) with a subsequent further temperature change (1-3K / min).
  • the present invention proposes the control system shown in FIG. 3, in which a temperature band with an upper and a lower band limit T M I N ) is determined.
  • the temperature range is to be selected in such a way that a temperature jump within this range does not cause any inadmissibly high thermomechanical stresses.
  • the temperature range does not have to have any absolute temperature limits, but can change flexibly as the steam turbine 1, 2 is heated through.
  • the method does not intervene in the event of brief temperature changes in the working fluid that are within the band limits. Only when the temperature drop is so large, so that the temperature of the working fluid Ti S the lower band limit (T M I N) falling below threatens is a change in the control position of the control valve 3, 4. We direction, the control valve 3, 4 in the closing proceed so that the mass flow of the working fluid is reduced so that the temperature of the working fluid (T IST ) remains within the temperature range.
  • T MAX / T MIN the upper and lower band limit
  • T MAXMAX / T MINMIN the upper and lower temperature limit
  • T MAXMAX / T MINMIN the upper and lower temperature limit
  • the process of the control valve 3, 4 in the closing direction has the effect that: the evaporation temperature in the evaporator 12 belonging to the steam turbine system rises due to the pressure increase; the temperature of a superheater 13 decreases because of the lower mass flow and the higher density; the temperature of the working fluid Ti S in the inflowing live steam and reheating lines 14, 16
  • the mass flow of the working fluid that is fed to the steam turbine 1, 2 is at the latest when the upper band limit (TM A X) t is reached by changing the control valve position it increases so that the temperature of the working fluid Ti S remains within the temperature range and the entire power is available again. Since the turbine components cool down less because of the method according to the invention, the temperature jump upwards is also almost completely available.
  • the control valve position can also be changed below the upper strip limit (TM A X) t, for example when the middle of the strip or an average component temperature is reached.
  • FIG. 4 shows the same cloudy situation as in FIG. 3.
  • the regulation according to FIG. 4 ver seeks to change the mass flow of the working fluid by changing the control valve position of the control valve 3, 4 so that the temperature of the Ar beitsfluides (T IST ) is kept essentially constant.
  • the control unit measures the temperature of the working fluid Ti S by means of the temperature sensors 20, 21 and immediately adjusts the control valve position as soon as the temperature of the working fluid Ti S is outside a certain tolerance range. This type of control requires significantly more control effort, but ensures that the temperature of the working fluid Ti S can be kept almost constant.
  • the control can, for example, go into a lower fixed PRE-bene or a rolling basis determined from measurement data temperature T set. It is also possible for the method to take into account expected temperature fluctuations before they occur and to change the control valve position in such a way that the temperature fluctuations are minimized. Such a temperature fluctuation to be expected could, for example, be an incoming cloudiness, which can be predicted in good time with the aid of a weather radar or other weather observations.
  • the methods according to the invention are fundamentally suitable, assuming a corresponding device, for regulating the temperature of the live steam as well as for the inter mediate superheating steam and additional steam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Regelung der Eintrittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine (1.2) bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie zur Erhitzung/Verdampfung des Arbeitsfluides der Dampfturbine (1.2), wobei die Dampfturbine (1,2) wenigstens ein Stellventil (3,4) umfasst, über das, durch Verändern der Stellventilposition, eine Regelung des in die Dampfturbine (1,2) einströmenden Massenstroms des Arbeitsfluides erfolgt. Die Verfahren regeln den Massenstrom dabei in der Weise, dass über den Massenstrom die Temperatur des Arbeitsfluides eingestellt wird, und zwar so, dass keine unzulässigen thermomechanischen Beanspruchungen an den heißgehenden Bauteilen der Dampfturbine verursacht werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Regelung der Eintrittstemperatur eines Arbeits fluides einer Dampfturbine bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ein- trittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1 und 3.
In der aktuellen Diskussion um die C02-freie Erzeugung ther mischer Energie spielen Solarkraftwerke eine zunehmende Rol le. Bei Solarkraftwerken wird die Sonnenenergie in der Regel mit Hilfe von Spiegeln gebündelt. Bei dieser Art von Solar kraftwerken spricht man auch von Concentrated Solar Power Kraftwerken (kurz CSP). CSP-Kraftwerke werden insbesondere in Form von Paraboirinnenkraftwerken, mit solarer Erzeugerein heiten ausgebildet. Bei Paraboirinnenkraftwerken sind diese solaren Erzeugereinheiten Parabolspiegel, die in ihrem Brenn linienbereich eine Rohrleitung für ein Wärmeträgermedium (z.B. Wärmeträgeröl) aufweisen. In dieser Brennlinie wird bei Sonneneinstrahlung das Wärmeträgermedium erwärmt und an schließend über einen Wärmetauscher mit Wasser beziehungswei se Dampf (oder allgemein einem Arbeitsfluid) in Verbindung gebracht. Durch Wärmeübertragung wird Heißdampf erzeugt, wel cher in einem Dampfkreislauf eine Dampfturbine des So larkraftwerkes antreibt. Durch schwankende Sonneneinstrahlung beispielsweise durchziehende Bewölkung kann die zur Verfügung stehende thermische Energie zum erhitzen/verdampfen eines Ar beitsfluides stark schwanken.
Neben Paraboirinnenkraftwerken gibt es beispielsweise auch Solar-Turmkraftwerke, bei denen ein Spiegelfeld die Solar strahlung auf einen Receiver im Turm fokussiert.
Auch transiente Betriebszustände, wie die Einspeisung von Wärme aus einem thermischen Speicher können zu Temperatur schwankungen des Arbeitsfluides führen. Für heißgehende Bauteile der Dampfturbine stellen rasche Tem peraturänderungen allerdings eine große thermomechanische Be anspruchung da. Um die Beanspruchung innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, wird die Temperatur, des der Dampfturbine zugeleiteten Arbeitsfluides gemessen und überwacht. Bei zu starken Änderungen innerhalb kurzer Zeit erfolgt eine Ab schaltung (Schnellschuss) der Dampfturbine durch Unterbre chung der Dampfzufuhr. Hierdurch sollen thermomechanisch be dingte Beschädigungen (Anrissbildung) von Bauteilen vermieden werden.
Durch den Schnellschuss kann allerdings eine noch vorhandene thermische Leistung nicht mehr genutzt werden, wodurch der Nutzungsgrad der Dampfturbinenanlage sinkt, was für den Be treiber der Anlage als erheblicher Nachteil zu werten ist.
Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Re gelung der Eintrittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine bei schwankender thermischer Energie bereitzu stellen, welches auch unter stark schwankender Bereitstellung thermischer Energie einen zuverlässigen Betrieb ohne Schnell schluss der Turbine ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Verfah rens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Eine alternative Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 3.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Ein- trittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine, bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie, zur Erhit zung/Verdampfung des Arbeitsfluides der Dampfturbine, wobei die Dampfturbine wenigstens ein Stellventil umfasst, über das, durch Verändern der Stellventilposition, eine Regelung des in die Dampfturbine einströmenden Massenstroms des Ar beitsfluides erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Temperaturband mit einer oberen und einer unteren Bandgrenze festgelegt wird; bei einem unterschreiten der unteren Bandgrenze, der Mas senstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine zu geführt wird, durch Änderung der Stellventilposition, so reduziert wird, dass die Temperatur des Arbeitsfluides innerhalb des Temperaturbandes bleibt, bei einem nachfolgenden Anstieg der Temperatur des Ar beitsfluides über die obere Bandgrenze, der Massenstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine zugeführt wird, durch Änderung der Stellventilposition, erhöht wird, so dass die Temperatur des Arbeitsfluides innerhalb des Temperaturbandes bleibt.
Durch das Verfahren wird ein bestimmtes Temperaturband vorge geben, innerhalb dessen sich die Temperaturänderungen bewegen können, ohne dass dies zu einer Änderung der Stellventilposi tion führt. Erst das Über-/Unterschreiten der Bandgrenzen führt zu einer Veränderung der Stellventilposition des Stell ventils. Die Temperaturänderung auf Grund durchziehender Be wölkung setzt sich typischerweise aus einem kurzzeitig Tempe ratursprung mit einem nachfolgend weiteren langsameren Tempe raturabfall zusammen. Die Temperaturänderung ist dabei so lange nicht problematisch und bewirkt somit auch keine Ände rung der Stellventilposition, so lange die Temperaturänderung sich in dem vorgegebene Temperaturband bewegt. Typischerweise kurzzeitige (unmittelbar) zulässige Temperatursprünge liegen dabei bei ca. 20-30K und der nachfolgend zulässige langsame Temperaturabfall bei ca. l-3K/min.
Bei einem unzulässig hohen Temperaturabfall und damit einer Unterschreitung der Bandgrenze würde das Stellventile leicht schließen, was zu einer Reihe positiver Effekte führen würde und in vielen Fällen einen Schnellschluss vermeiden könnte. Insbesondere führt das Schließen des Stellventils zu den fol genden Effekten: die Verdampfungstemperatur in dem zur Dampfturbinenanlage gehörenden Dampferzeuger steigt auf Grund der Druckerhö hung an; die Grädigkeit eines Überhitzers sinkt wegen dem geringe ren Massenstrom und der höheren Dichte; die Temperatur des Dampfes in den zuströmenden Dampflei tungen fällt auf Grund der Kompression des Dampfes (Rück stau) weniger stark ab; der Druck in der Turbine als maßgebliche Größe für den Wärmeübergang zwischen dem Dampf und den Turbinenbautei len sinkt ab, so dass ein höherer Freibetrag (Temperatur sprung/Temperaturänderung) möglich ist; mittelfristig (einige Minuten) kann die Temperatur des Wärmeträgermediums stabil gehalten werden, da es gegen über einer ungeregelten Lösung weniger stark abkühlt.
Das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend Anspruch 1 arbei tet somit als „Limiter", d.h. es werden die jeweils maximale Abweichung je Zeit vorgegeben. Die Limits (Band Ober- und Un tergrenze) sind dabei so zu wählen, dass ein Schnellschluss nur dann ausgelöst wird, wenn eine tatsächliche Gefährdung der Bauteile durch thermomechanische Beanspruchung zu be fürchten ist. Der Eingriff des „Limiters" würde zwar eine (wärmebedingte) Leistungsminderung bewirken, würde aber einen Schnellschluss und damit die Beendigung der mechanischen Energiebereitstellung verhindern.
Bei einem nachfolgenden Anstieg der Dampftemperatur käme der „Limiter" außer Eingriff und das Stellventil würde wieder weiter geöffnet. Damit würde wieder die gesamte Leistung zur Verfügung stehen. Da sich die Turbinenbauteile auf Grund des „Limiter" Eingriffs weniger stark abgekühlt haben, steht auch noch der Temperatursprung nach oben (obere Bandgrenze) nahezu vollständig zur Verfügung. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Temperaturband keine festen absoluten Grenzen aufweist, sondern sich mit dem Durchwärmungszustand der Dampfturbine verschiebt. Sinkt die Temperatur der Dampfturbine beispiels weise durch längere Bewölkung ab, so verschiebt sich auch das Temperaturband zu einer niedrigeren mittleren Temperatur. Hierdurch kann verhindert werden, dass es auch bei einer langsam sinkenden Temperatur, welche keine unzulässig hohen thermomechanischen Spannungen hervorruft, zu einem unter schreiten der Banduntergrenze und damit zu einem nicht not wendigen Eingriff in die Regelung der Dampfturbine kommt.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Ein- trittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine, bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie, zur Erhit zung/Verdampfung des Arbeitsfluides der Dampfturbine, wobei die Dampfturbine wenigstens ein Stellventil umfasst, über das, durch Verändern der Stellventilposition, eine Regelung des in die Dampfturbine einströmenden Massenstroms des Ar beitsfluides erfolgt, zeichnet sich dadurch aus, dass der Massenstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine zugeführt wird, durch ein Verändern der Stellventilposition, so geregelt wird, dass die Temperatur des Arbeitsfluides im Wesentlichen konstant gehalten wird. Im Wesentlichen bedeutet dabei innerhalb der durch die Regelung vorgegeben Schwan kungsbreite.
Im Gegensatz zum Limiter greift die Regelung beim zweiten er findungsgemäßen Verfahren nicht erst ein, wenn die thermome chanische Beanspruchung einen kritischen Wert erreicht, son dern regelt die Temperatur des Arbeitsfluides fortwährend und wirkt dabei auf eine Vergleichmäßigung der Temperatur des Ar beitsfluides hin.
Die Regelung unterscheidet sich damit wesentlich von den bis herigen Regelungsarten, Drehzahlregelung, Druckregelung und Leistungsregelung, die ebenfalls über die Stellventilposition der Turbine wirken. Die regelungsarten sind für konventionel- le Dampfturbinen gut geeignet, führen jedoch insbesondere bei Solarkraftwerken zu unerwünschten Schnellschlüssen oder hohen thermomechanischen Beanspruchungen. Mit der vorgeschlagenen Temperaturregelung können hingegen die den solarthermischen Prozessen innewohnenden Schwankungen der Wärmebereitstellung durch einen leittechnischen Eingriff kompensiert werden, und zwar ohne das bei einem Limiter vorliegende Totband.
Die Regelung kann dabei beispielsweise auf eine vorgegebene oder eine aus Messdaten rollierend ermittelte Temperatur re geln. Dabei wird die Stellventilposition so angepasst, dass die zu erwartenden Temperaturschwankungen möglichst unmittel bar kompensiert werden. Auf diese Weise können die Tempera turschwankungen in der Turbine auf ein Minimum reduziert wer den.
Die Erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Eintritts temperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine bei schwankender Bereitstellung thermischer Energie sind nicht beschränkt auf den Frischdampf, sondern können genauso vor teilhaft für Zwischenüberhitzungsdampf, oder Zudampf einge setzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert.
Es zeigt:
- Fig.l: Ein CSP-Kraftwerk welches zum Betreiben mit den Erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
- Fig.2: Eine beispielhafte Dampftemperaturverteilung an einem wolkigen Tag in einem CSP-Kraftwerk mit herkömmlicher Regelung der Turbine.
- Fig.3: Eine beispielhafte Dampftemperaturverteilung an einem wolkigen Tag in einem CSP-Kraftwerk bei ei ner erfindungsgemäßen Regelung mittels „Limiter" nach Anspruch 1 - Fig.4: Eine beispielhafte Dampftemperaturverteilung an einem wolkigen Tag in einem CSP-Kraftwerk bei ei ner erfindungsgemäßen Regelung der Dampftemperatur nach Anspruch 3.
Die Figuren zeigen vereinfachte und schematische Darstellun gen der Erfindung. Gleiche bzw. funktionsgleiche Teile sind nachfolgend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein CSP-Kraftwerk welches zum Betreiben mit den Erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Das CSP-Kraftwerk ist im Ausführungsbeispiel als Paraboirinnenkraftwerk ausge bildet. Das Verfahren ließe sich aber ohne weiteres auch bei einem Solarturmkraftwerk anwenden.
Das CSP-Kraftwerk umfasst zwei Fluidkreisläufe einen solar thermischen Kreislauf 5 und eine Wasser-Dampfkreislauf 6.
Der solarthermische Kreislauf 5 umfasst eine Reihe von Para bolspiegeln 7 durch deren Brennlinien Rohre hindurchgeführt werden, welche mit einem Wärmeträgerfluid beispielsweise ei nem Thermoöl oder einer Salzlösung gefüllt sind. Durch die Sonnenstrahlung wird das das Wärmeträgerfluid erhitzt, dabei kann das Wärmeträgerfluid Temperaturen von etwa 400°C bei So larturmkraftwerken sogar bis 600°C erreichen.
Das erhitzte Wärmeträgerfluid zirkuliert innerhalb des solar thermischen Kreislaufs 5. Hierzu sind innerhalb des solar thermischen Kreislaufs 5 mehrere Fluidpumpen 8, 9 angeordnet. Je nach Betriebsmodus kann das Wärmeträgerfluid über Wärme tauscher fluidkommunizierend Wärme an den Wasser- Dampfkreislauf 6 übertragen oder einem Wärmespeicher 10 zuge führt werden, um dort gespeichert zu werden und bei nachlas sender Sonneneinstrahlung (beispielsweise nachts oder bei aufziehender Bewölkung), dem solarthermischen Kreislauf 5 wieder zu Verfügung gestellt zu werden. Prinzipiell ist auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem ein Teil der Wärme dem Wär mespeicher 10 und ein anderer Teil dem Wasser-Dampfkreislauf 6 zur Verfügung gestellt wird. Die Regelung kann auf einfache Weise mittels eines Regelventil 11, welche im solarthermi schen Kreislauf 5 angeordnet sind erfolgen.
Der Wasser-Dampfkreislauf 6 umfasst einen Verdampfer 12, so wie einen ersten Überhitzer 13. Der Verdampfer 12 sowie der erste Überhitzer 13 sind als Wärmetauscher ausgebildet und fluidkommunizierend mit dem solarthermischen Kreislauf 5 ver bunden. Hierdurch kann die Wärme vom Wärmeträgerfluid des so larthermischen Kreislaufs 5 auf den Wasser-Dampfkreislauf 6 übertragen werden. Dabei wird das Wasser im Wasser- Dampfkreislauf 6 im Verdampfer 12 verdampft und nachfolgend im Überhitzer 13 auf Frischdampfparameter gebracht. Der Frischdampf kann dann über eine Frischdampfleitung 14 der Dampfturbine zugeführt werden. Im Ausführungsbeispiel weist die Dampfturbine einen Hochdruckteil 1 (HD-Teil) und einen Mitteldruckteil 2 (MD-Teil) auf. Der Frischdampf wird dabei zunächst in den Eintrittsbereich des HD-Teils 1 geführt und entspannt sich innerhalb des HD-Teils 1 anschließend verlässt der entspannte Dampf den HD-Teil 1 über einen Austrittsbe reich und wird einer Zwischenüberhitzung zugeführt. Die Zwi schenüberhitzung weist einen weiteren Wärmetauscher 15 auf, der ebenfalls mit dem solarthermischen Kreislauf 5 gekoppelt ist. Im Wärmetauscher 15 wird der Dampf bei konstantem Druck auf annähernd Frischdampftemperatur erwärmt und über eine Zwischenüberhitzungsleitung 16 in den Eintrittsbereich des MD-Teils 2 geleitet. Dort wird der Dampf erneut entspannt und über den Austrittsbereich einem Kondensator 17 zugeführt in dem der Dampf kondensiert und von wo er erneut dem Verdampfer 12 zugeführt werden kann. Durch die Entspannung des Dampfes innerhalb des HD- und des MD-Teils 1, 2 wird die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie kann mit Hilfe eines mit der Dampfturbine gekoppelten Generators 18 in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Um den in die Dampfturbine einströmenden Massenstrom zu re geln ist in der Frischdampfleitung 14 und in der Zwischen überhitzungsleitung 16 jeweils ein Stellventil 3, 4 angeord- net. Durch eine Veränderung der Stellventilposition des Stellventils 3, 4 kann der in den jeweiligen Turbinenteil (HD/MD-Teil) einströmende Dampfmassenstrom geregelt werden. Die Stellventile 3, 4 sind mit einer Regeleinrichtung 19 ver bunden, die die entsprechenden Stellsignale an die Stellven tile 3, 4 übermittelt. Die Regeleinrichtung 19 umfasst ferner Temperatursensoren 20, 21 die die IST-Temperatur (TiST) des Dampfes in der Frischdampfleitung 14 und der Zwischenüberhit zungsleitung 16 erfassen.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Dampftemperaturverteilung an einem wolkigen Tag in einem CSP-Kraftwerk. Die Temperatur des Dampfes, welcher der Dampfturbine zugeführt wir, schwankt da bei auf Grund der durchziehenden Wolkenfelder während des Ta gesverlaufes zwischen etwa 340°C und 380°C. So lange die Tem peraturschwankungen nur gering sind, hat dies keinen Einfluss auf den Betrieb des CSP-Kraftwerkes. Größere Temperaturände rungen innerhalb kürzerer Zeit stellen allerdings für heißge hende Bauteile der Dampfturbine eine große thermomechanische Beanspruchung dar. Um die Beanspruchung innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, werden die der Dampfturbine zugeleiteten Dampftemperaturen TiS gemessen und von der Regelungseinrich tung 19 überwacht. Bei einer zu starken Änderung der Dampf temperatur TIST innerhalb kurzer Zeit erfolgt eine Abschaltung (Schnellschluss) der Dampfturbine. Dabei wird die Dampfzufuhr vollständig unterbrochen, so dass keine Leistung mehr an liegt. Durch den Schnellschluss soll eine thermomechanisch bedingte Beschädigung der Bauteile vermieden werden. Die überwachten Grenzwerte umfassen typischerweise einen kurz fristig zulässigen Temperatursprung (20-30K) mit einer nach folgenden weiteren Temperaturänderung (l-3K/min).
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, kommt es im vorliegenden Bei spiel, zwischen 14.00-16.00 Uhr zu zwei starken Temperaturab fällen, welche zu einem Schnellschluss und damit zum Herun terfahren der Dampfturbine führen würde. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass die Temperatur des Dampfes noch bei deutlich über 300°C liegt. Diese thermische Energie würde beim Schnellschluss nicht weiter genutzt werden, was zu einer deutlichen Verschlechterung des Nutzungsgrades führen würde.
Um die thermische Energie zukünftig nicht ungenutzt zu las sen, schlägt die vorliegende Erfindung die in der in Fig. 3 gezeigten Regelung vor, bei der ein Temperaturband mit einer oberen und einer unteren Bandgrenze TMIN) festgelegt wird. Das Temperaturband ist dabei so auszuwählen, dass ein Temperatursprung innerhalb dieses Bandes keine unzulässig ho hen thermomechanischen Beanspruchungen hervorruft. Das Tempe raturband muss dabei keine absoluten Temperaturgrenzen auf weisen, sondern kann sich flexibel mit dem Durchwärmungszu- stand der Dampfturbine 1,2 verändern.
Das Temperaturband hat im Ausführungsbeispiel beispielsweise ein DT von 60°C, die obere Bandgrenze liegt bei TMAX = 400°C und die untere Bandgrenze bei TMIN = 340°C. Bei kurzfristigen Temperaturänderungen des Arbeitsfluides, die sich innerhalb der Bandgrenzen bewegen, greift das Verfahren nicht ein. Erst wenn der Temperaturabfall so groß ist, so dass die Temperatur des Arbeitsfluides TiS die untere Bandgrenze (TMIN) ZU unter schreiten droht erfolgt eine Änderung der Stellposition des Stellventils 3, 4. Dabei wir das Stellventil 3, 4 in Schließ richtung verfahren, so dass der Massenstrom des Arbeitsflui des so reduziert wird, dass die Temperatur des Arbeitsfluides (TIST) innerhalb des Temperaturbandes bleibt.
Zwischen der oberen und unteren Bandgrenze (TMAX/TMIN) und der oberen und unteren Temperaturgrenze (TMAXMAX/TMINMIN) besteht vorzugsweise ein gewisser Abstand (TMAX<TMAXMAX und TMIN>TMINMIN), so dass der Schnellschluss nicht unmittelbar beim Erreichen der Bandgrenze ausgelöst wird.
Das Verfahren des Stellventils 3, 4 in Schließrichtung be wirkt im Einzelnen, dass: die Verdampfungstemperatur in dem zur Dampfturbinenanlage gehörenden Verdampfer 12 auf Grund der Druckerhöhung an steigt; die Grädigkeit eines Überhitzers 13 wegen dem geringeren Massenstrom und der höheren Dichte sinkt; die Temperatur des Arbeitsfluides TiS in der zuströmenden Frischdampf- und Zwischenüberhitzungsleitungen 14, 16 auf
Grund der Kompression des Dampfes (Rückstau) weniger stark abfällt; der Druck in der Turbine 1, 2 als maßgebliche Größe für den Wärmeübergang zwischen dem Dampf und den Turbinenbau teilen absinkt, so dass ein höherer Freibetrag (Tempera tursprung/Temperaturänderung) möglich ist; mittelfristig (einige Minuten) die Temperatur des Wärme trägermediums stabil gehalten werden kann, da es gegen über einer ungeregelten Lösung weniger stark abkühlt.
Steigt die Temperatur des Arbeitsfluides TiST, beispielsweise auf Grund höhere Sonneneinstrahlung wieder an, so wird spä testens beim Erreichen der oberen Bandgrenze (TMAX)t der Mas senstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine 1, 2 zugeführt wird, durch Änderung der Stellventilposition er höht, so dass die Temperatur des Arbeitsfluides TiS innerhalb des Temperaturbandes bleibt und wieder die gesamte Leistung zur Verfügung steht. Da sich die Turbinenbauteile auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger stark abkühlen, steht auch noch der Temperatursprung nach oben nahezu voll ständig zur Verfügung. Die Änderung der Stellventilposition kann auch bereits unterhalb der oberen Bandgrenze (TMAX)t bei spielsweise beim Erreichen der Bandmitte oder einer mittleren Bauteiltemperatur erfolgen.
Da für die thermomechanische Belastung der heißgehenden Bau teile der Dampfturbine 1, 2 im Wesentlichen die kurzfristigen Temperaturänderungen verantwortlich sind, kann nachdem sich die Temperatur auf eine weitgehend konstanten oder nur noch leicht veränderlichen Wert eingependelt hat die Bandgrenzen an die neue IST-Temperatur des Arbeitsfluides (TiST) angepasst werden. Fig. 4 zeigt die gleiche Bewölkungssituation wie in Fig. 3.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Regelung, die erst beim Überschreiten der festgelegten Bandgrenzen erfolgt, ver sucht die Regelung nach Fig. 4 durch ein Verändern der Stell ventilposition des Stellventils 3, 4 den Massenstrom des Ar beitsfluides so zu verändern, dass die Temperatur des Ar beitsfluides (TIST) im Wesentlichen konstant gehalten wird. Hierzu misst die Regeleinheit mittels der Temperatursensoren 20, 21 die Temperatur des Arbeitsfluides TiS und passt unmit telbar die Stellventilposition an, sobald sich die Temperatur des Arbeitsfluides TiS außerhalb eines gewissen Toleranzbe reichs befindet. Diese Art der Regelung benötigt einen deut lich höheren Regelaufwand, sorgt allerding dafür, dass die Temperatur des Arbeitsfluides TiS nahezu konstant gehalten werden kann.
Die Regelung kann dabei beispielsweise auf eine fest vorgege bene oder eine aus Messdaten rollierend ermittelte Temperatur TSOLL regeln. Auch ist es möglich, dass das Verfahren zu er wartende Temperaturschwankungen bereits vor ihrem Eintreten berücksichtigt und die Stellventilposition so verändert, dass die Temperaturschwankungen minimiert werden. Eine solche zu erwartende Temperaturschwankung könnte beispielsweise ein hereinziehende Bewölkung sein, welche mit Hilfe eines Wetter radars oder anderer Wetterbeobachtungen bereits rechtzeitig vorausgesagt werden kann.
Die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich Grundsätzlich, eine entsprechende Vorrichtung vorausgesetzt, für die Rege lung der Temperatur des Frischdampfs als auch für den Zwi schenüberhitzungsdampf und Zudampf.
Generell kann festgehalten werden, dass die beiden vorge stellten Verfahren, es durch eine Veränderung der Stellven tilposition eines Stellventils ermöglichen, den Massenstrom und damit die Temperatur des in eine Dampfturbine einströmen den Arbeitsfluides zu beeinflussen und die Temperaturschwan kungen infolge schwankender Sonneneinstrahlung oder transien- ter Betriebszustände, in zulässigen Grenzen zu halten. Ein bislang erfolgter Schnellschluss der Turbine kann dadurch in vielen Fällen vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung der Eintrittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine (1,2) bei schwanken der Bereitstellung thermischer Energie zur Erhit zung/Verdampfung des Arbeitsfluides der Dampfturbine (1,2), wobei die Dampfturbine (1,2) wenigstens ein Stellventil (3,4) umfasst, über das, durch Verändern der Stellventilposition, eine Regelung des in die Dampfturbine (1,2) einströmenden Massenstroms des Ar beitsfluides erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Temperaturband mit einer oberen und einer unte ren Bandgrenze (TMAX, TMIN) festgelegt wird;
- bei einem unterschreiten der unteren Bandgrenze (TMIN), der Massenstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine (1,2) zugeführt wird, durch Ände rung der Stellventilposition, so reduziert wird, dass die Temperatur (TiST) des Arbeitsfluides inner halb des Temperaturbandes bleibt,
- bei einem nachfolgenden Anstieg der Temperatur (TiST) des Arbeitsfluides über die obere Bandgrenze (TMAX), der Massenstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampfturbine (1,2) zugeführt wird, durch Änderung der Stellventilposition, erhöht wird, so dass die Temperatur (TiST) des Arbeitsfluides innerhalb des Temperaturbandes bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturband keine festen absoluten Grenzen auf weist, sondern sich mit dem Durchwärmungszustand der Dampfturbine (1,2) verschiebt.
3. Verfahren zur Regelung der Eintrittstemperatur eines Arbeitsfluides einer Dampfturbine (1,2) bei schwanken der Bereitstellung thermischer Energie zur Erhit zung/Verdampfung des Arbeitsfluides der Dampfturbine (1,2), wobei die Dampfturbine (1,2) wenigstens ein Stellventil (3) umfasst, über das, durch Verändern der Stellventilposition, eine Regelung des in die Dampftur bine (1,2) einströmenden Massenstroms des Arbeitsflui- des erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Arbeitsfluides, welcher der Dampf turbine (1,2) zugeführt wird, durch ein Verändern der Stellventilposition, so geregelt wird, dass die Tempe- ratur (TiST) des Arbeitsfluides im Wesentlichen konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, zu erwartende Temperaturschwankungen be reits vor ihrem Eintreten berücksichtigt und die Stell ventilposition so verändert, dass die Temperaturschwan kungen minimiert werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid Frischdampf, Zwischenüberhitzungs dampf, oder Zudampf ist.
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