EP4453389A1 - Dampfturbinenanlage - Google Patents

Dampfturbinenanlage

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EP4453389A1
EP4453389A1 EP23701690.2A EP23701690A EP4453389A1 EP 4453389 A1 EP4453389 A1 EP 4453389A1 EP 23701690 A EP23701690 A EP 23701690A EP 4453389 A1 EP4453389 A1 EP 4453389A1
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EP
European Patent Office
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steam
turbine
primary
source
partial
Prior art date
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Application number
EP23701690.2A
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English (en)
French (fr)
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EP4453389B1 (de
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Ingo Assmann
Tobias Florian BURGARD
Jörg Eppendorfer
Andreas Schulze
Ingo Stephan
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4453389A1 publication Critical patent/EP4453389A1/de
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Publication of EP4453389B1 publication Critical patent/EP4453389B1/de
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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
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen
    • 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
    • F01K7/22—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
    • F01K7/226—Inter-stage steam injection
    • 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
    • F01K7/22—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
    • F01K7/24—Control or safety means specially adapted therefor

Definitions

  • Steam turbine system The invention relates to a steam turbine system according to claim 1.
  • certain (optimal) steam parameters In order to be able to operate a steam turbine system at the optimal operating point, certain (optimal) steam parameters must be maintained, in particular with regard to the mass flow, pressure, moisture and/or temperature.
  • process steam is used to operate the steam turbine system or if the steam for operating the steam turbine system is provided from renewable energy sources, the steam parameters can be subject to strong fluctuations. In these cases, the steam parameters must be brought to the required values before entering the steam turbine or along the expansion section, otherwise a drop in efficiency or damage to the steam turbine can occur.
  • An unpublished application by the applicant therefore provides for the use of a secondary steam source to generate a secondary steam if necessary, which if the primary steam falls below or exceeds predetermined limit values for individual or several steam parameters (in particular mass flow, pressure, temperature and/or moisture). , is added to the primary steam, so that a total steam that can be generated from primary steam and secondary steam is created, which has steam parameters that lie in a predeterminable range with regard to its steam parameters.
  • the secondary steam is generated by means of a secondary steam source, which causes hydrogen and oxygen to react with one another within a defined area or component, for example a combustion chamber, to generate steam. By burning oxygen with hydrogen, large amounts of water vapor with high steam parameters (especially high temperature and little or no moisture) can be produced within a very short time.
  • the steam turbine system comprises at least one water-steam circuit, in which a steam turbine with at least a first and a second partial turbine is arranged.
  • the first partial turbine and the second partial turbine can be connected via at least one first switchable clutch.
  • the water-steam circuit comprises a first primary steam source and a second secondary steam source, wherein the first sub-turbine can be supplied with a primary steam from the primary steam source and the second sub-turbine can be supplied with the primary steam from the primary steam source or a part thereof and/or a secondary steam (or a part thereof) of the secondary steam source can be acted upon and the secondary steam can be generated by means of a steam generator, which is part of the secondary steam source, with hydrogen and oxygen being reacted with one another to generate steam.
  • primary steam refers to the steam that comes from the primary steam source; this can also be partially expanded steam or part of the original steam generated by the primary steam source.
  • a partial turbine consists of at least one turbine housing.
  • the combination of at least two partial turbines, which can be connected via a switchable clutch, and a secondary steam source, which can generate steam using hydrogen and oxygen, results in a highly flexible steam turbine system that can adapt to rapidly changing conditions both in terms of steam provision and the - can be adapted to drive-side requirements (electrical energy or drive power of a connected consumer).
  • the first sub-turbine can be operated individually or together with the second sub-turbine, provided there is sufficient primary steam with the corresponding steam parameters, without additional secondary steam. If the steam parameters of the primary steam are insufficient, the second partial turbine can be operated with a mixture of primary steam and secondary steam or only with secondary steam.
  • the steam turbine system according to the invention is therefore flexible, with the individual operating modes being able to be set and varied quickly due to the coupling and the short-term available secondary steam.
  • An embodiment of the invention provides that a second switchable clutch is arranged between the first and the second partial turbine, which can be actuated independently of the first switchable clutch, and a generator or a machine is arranged between the first and the second switchable clutch Depending on the switching position of the first or second switchable clutch, it can be connected to the first and/or the second partial turbine.
  • the second switchable clutch thus further increases the flexibility of the steam turbine system according to the invention compared to the first embodiment.
  • FIG. 1 The basic structure of a first exemplary embodiment of a steam turbine system according to the invention with a switchable clutch.
  • Fig. 2 A first operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 1.
  • Fig. 3 A second operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 1.
  • Fig. 4 A third operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 1.
  • Fig. 5 A fourth operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 1.
  • Fig. 6 The basic structure of a second exemplary embodiment of a steam turbine system according to the invention with two switchable clutches.
  • Fig. 7 A first operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 6.
  • Fig. 8 A second operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 6.
  • Fig. 7 A first operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 6.
  • Fig. 8 A second operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 6.
  • Fig. 7 A first operating mode of the steam turbine system shown in Fig. 6.
  • FIGS. 1 and 6 each show a steam turbine system according to the invention, FIGS.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a first exemplary embodiment of a steam turbine system according to the invention.
  • the steam turbine system includes a water-steam circuit 1 in which a steam turbine 2 is arranged.
  • the steam turbine 2 includes a first partial turbine 2' and a second partial turbine 2''.
  • the two partial turbines 2', 2'' are connected in series and can be connected via a switchable clutch 3, so that they can drive a common output shaft 8 when the clutch 3 is closed.
  • the steam turbine system further includes a primary steam source 4.
  • the primary steam provided by the primary steam source 4 can have fluctuating steam parameters, which can prevent continuous operation of the steam turbine system, or at least the operation of the steam turbine system at an optimal operating point.
  • the primary steam source 4 can be, for example, a waste-to-energy plant or a regenerative power plant (eg solar thermal power plant).
  • a secondary steam source 5 is provided in order to ensure continuous operation of the steam turbine system, or to adapt the steam parameters of the steam upstream and/or along the expansion section.
  • the secondary steam source 5 obtains its steam by causing hydrogen and oxygen to react with each other in a controlled manner. Large ones can be used Achieve quantities of water vapor with high steam temperatures.
  • the primary and secondary steam sources 4.5 are arranged within the water-steam circuit 1 in such a way that the first partial turbine 2' with the primary steam from the primary steam source 4 and the second partial turbine 2'' with the primary steam from the primary steam source 4, which already partially expanded primary steam (after expansion in partial turbine 2 ') and / or a part of it and / or a secondary mass flow of the secondary steam source 5 can be applied.
  • Which operating mode is used essentially depends on the steam parameters, in particular the mass flow, the pressure, the moisture and/or the temperature of the primary steam.
  • the optimal operating mode can be set by preferably continuously collecting the required measurement data and comparing them with the target values, for example using appropriate characteristic maps.
  • FIGS. 2 to 5 show Various operating modes below in FIGS. 2 to 5, which can be operated with the steam turbine system according to FIG. 1.
  • FIG. 2 shows a first operating mode of the steam turbine system shown in FIG. 1.
  • the steam turbine system is operated exclusively with primary steam, which is provided by the primary steam source 4.
  • a typical application would be that there is enough primary steam available with steam parameters that enable the steam turbine system to be operated at an optimal operating point. In such a case, adding secondary steam can be omitted.
  • the primary steam provided by the primary steam source 4 is first supplied to the steam inlet 9 of the first partial turbine 2' and the primary steam is first expanded before the partially expanded primary steam leaves the first partial turbine 2' via the steam outlet 10 and via corresponding ones Lines of the water-steam circuit 1 to the steam inlet 11 of the second Sub-turbine 2'' is supplied, expanded further there and the second sub-turbine 2'' leaves via the steam outlet 12.
  • the switchable clutch 3 is closed so that the entire power provided by the partial turbines 2', 2'' can be transmitted to the common output shaft 8.
  • FIG. 3 shows a second operating mode of the steam turbine system shown in FIG. 1.
  • the steam turbine system is operated exclusively with secondary steam, which is provided by the secondary steam source 5.
  • FIG. 4 shows a third operating mode of the steam turbine system shown in FIG. 1.
  • the steam turbine system is operated with primary steam, to which secondary steam is added during the expansion phase.
  • a typical application would be, for example, if the steam parameters of the primary steam are still within the permissible limits at the beginning of the expansion phase, but fall below and/or exceed the operating ranges during the expansion, for example if the temperature at the steam outlet 10 from the first partial turbine 2' is too low.
  • the primary steam provided by the primary steam source 4 is first fed to the steam inlet 9 of the first partial turbine 2' and it takes place a first expansion of the primary steam.
  • the partially expanded primary steam leaves the first partial turbine 2' via the steam outlet 10 and is then fed to the steam inlet 11 of the second partial turbine 2'' via corresponding lines of the water-steam circuit 1.
  • secondary steam is added to the partially expanded primary steam, which is provided by the secondary steam source 5.
  • the steam parameters of the added secondary steam depend on the steam parameters of the partially expanded primary steam downstream of the steam outlet 10 (which can also be determined indirectly from the power and/or speed as well as other steam parameters along the expansion section).
  • the required variables are measured using appropriate sensors and a downstream control unit uses the measured variables to determine the steam parameters of the secondary steam to be added in order to achieve a total steam whose steam parameters are within permissible and specified limits.
  • the measuring and control unit is not explicitly shown in any of the figures.
  • the total steam formed from partially expanded primary steam and secondary steam is fed to the second partial turbine 2" via the steam inlet 11, expanded and discharged from the second partial turbine 2" via the steam outlet 12.
  • the clutch 3 is engaged in this operating mode, so that both partial turbines 2', 2'' can transmit work to the output shaft 8.
  • 5 shows a fourth operating mode of the steam turbine system shown in FIG. 1.
  • the steam turbine system is operated with primary steam and secondary steam, whereby the first partial turbine 2' is not supplied with steam and does not perform any work.
  • the primary steam, which is provided by the primary steam source 4 is mixed with secondary steam, which is provided by the secondary steam source 5, before entering the second partial turbine 2'' is mixed.
  • FIG. 6 shows the basic structure of a second exemplary embodiment of a steam turbine system according to the invention.
  • each partial turbine has its own output shaft 8', 8'' which is connected to a generator or a machine to be driven by switchable clutches 3', 3'' 7 can be connected.
  • each output shaft 8', 8'' is connected to a switchable clutch 3', 3'', via which the respective output shaft 8', 8'' is connected to a generator or arranged between the two output shafts 8', 8'' arranged work machine 7 can be connected.
  • both output shafts 8 ⁇ , 8 ⁇ ⁇ can perform work at different speeds.
  • the remaining structure and the components used of the steam turbine system are essentially identical to the structure according to FIG. 1, the description of which is referred to.
  • the previously described operating modes 1-4 can be carried out with the steam turbine system according to FIG. 6, with either the first, the second or both partial turbines 2', 2'' driving the generator or the work machine 7, depending on the operating mode.
  • FIG. 7 shows a first operating mode of a steam turbine system according to the invention according to FIG. 6, analogous to the first operation.
  • the operation of the steam turbine system takes place exclusively with primary steam, which is provided by the primary steam source 4 and subsequently expanded first in the first partial turbine 2' and then in the second partial turbine 2'' becomes.
  • the two clutches 3' and 3'' are engaged, so that the work done by the two partial turbines 2', 2'' can be transmitted to the generator 7 via the respective output shaft 8', 8''.
  • 8 shows a second operating mode of a steam turbine system according to the invention according to FIG. 6, analogous to the second operating mode of the steam turbine system according to the invention according to FIG is provided.
  • the secondary steam is expanded by means of the second partial turbine 2'' and the work done is transmitted to the generator 7 via the second output shaft 8''.
  • the second clutch 3'' is engaged. In this mode, the first partial turbine 2' is not supplied with steam and therefore does not perform any work.
  • the first clutch 3' is not engaged and thus decouples the first partial turbine 2' from the generator 7 and thus also from the second partial turbine 2''.
  • 9 shows a third operating mode of a steam turbine system according to the invention according to FIG. 6, analogous to the third operating mode of the steam turbine system according to the invention according to FIG. Pansion phase secondary steam is added to the secondary steam source 5 in order to adjust the steam parameters.
  • this operating mode there is both the first te as well as the second clutch 3', 3'' engage to transfer the work done during the expansion of the steam in the respective partial turbines 2', 2'' to the generator 7 via the respective output shafts 8', 8'' transmitted.
  • FIG. 10 shows a fourth operating mode of a steam turbine system according to the invention according to FIG. 6, analogous to the fourth operating mode of the steam turbine system according to the invention according to FIG. and is mixed with secondary steam, which is provided by the secondary steam source 5, before entering the second partial turbine 2''.
  • the second clutch 3'' is engaged in order to transmit the work done during the expansion of the total steam mass flow in the second partial turbine 2'' to the generator 7 via the second output shaft 8''.
  • the first partial turbine 2' is not supplied with primary steam and does not perform any work in this operating mode; As a result, the first clutch 3' is not engaged.
  • the first output shaft 8' is thereby decoupled from the generator 7.
  • 11 shows a fifth operating mode of a steam turbine system according to the invention according to FIG.
  • the steam turbine system is operated exclusively with primary steam, which is provided by the primary steam source 4 and exclusively in the first partial turbine 2 ' is relaxed.
  • the work done is transferred to the generator 7 via the first output shaft 8'.
  • the first clutch 3' is brought into engagement.
  • the second partial turbine 2'' does not perform any work and as a result the second clutch 3'' is not engaged.
  • the second output shaft 8'' is thereby decoupled from the generator 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage, mit einem Wasser-Dampfkreislauf (1), wobei der Wasser-Dampfkreislauf (1) wenigstens eine Dampfturbine (2) mit einer ersten und einer zweiten, Teilturbine (2´,2´´) umfasst. Die erste Teilturbine (2´) ist mittel- oder unmittelbar mit der zweiten Teilturbine (2´´) über wenigstens eine erste schaltbare Kupplung (3) verbindbar. Der Wasser-Dampfkreislauf (1) umfasst des Weiteren eine erste Primärdampfquelle (4) und eine zweite Sekundärdampfquelle (5), wobei die erste Teilturbine (2´) mit einem Primärdampf der Primärdampfquelle (4) beaufschlagbar ist und die zweite Teilturbine (2´´) mit dem Primärdampf der Primärdampfquelle (4) oder einem Teil davon und/oder einem Sekundärdampf der Sekundärdampfquelle (5) beaufschlagbar ist. Der Sekundärdampf ist mittels eines Dampferzeugers erzeugbar, welcher als Bestandteil der Sekundärdampfquelle (5), zur Dampferzeugung Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zur Reaktion bringt.

Description

Dampfturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage nach Pa- tentanspruch 1. Um eine Dampfturbinenanlage im optimalen Betriebspunkt be- treiben zu können, sind bestimmte (optimale) Dampfparameter, insbesondere hinsichtlich des Massenstroms, des Drucks, der Nässe und/oder der Temperatur einzuhalten. Wird zum Betreiben der Dampfturbinenanlage Prozessdampf genutzt oder wird der Dampf zum Betreiben der Dampfturbinenanlage aus regenerativen Energiequellen bereitgestellt, können die Dampfparameter al- lerdings starken Schwankungen unterliegen. In diesen Fällen müssen die Dampfparameter vor dem Eintritt in die Dampfturbi- ne bzw. entlang der Expansionsstrecke auf die erforderlichen Werte gebracht werden, andernfalls kann es zu einem Wirkungs- gradabfall oder zu Schäden an der Dampfturbine kommen. Eine nicht vorveröffentlichte Anmeldung der Anmelderin sieht daher vor, Mittels einer Sekundärdampfquelle im Bedarfsfall einen Sekundärdampf zu erzeugen, welcher bei einem Unter- oder Überschreiten vorgebbarer Grenzwerte für einzelne oder mehrere Dampfparameter(insbesondere Massenstrom, Druck, Tem- peratur und/oder Nässe) des Primärdampfs, dem Primärdampf beigemischt wird, so dass, ein aus Primärdampf und Sekundär- dampf erzeugbarer Gesamtdampf entsteht, welcher Dampfparame- ter aufweist, die in einem vorgebbaren Bereich bezüglich sei- ner Dampfparameter liegen. Der Sekundärdampf wird dabei mit- tels einer Sekundärdampfquelle erzeug, welche zur Dampferzeu- gung Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb eines definierten Bereichs bzw. Komponente, beispielsweise einer Brennkammer, miteinander zur Reaktion bringt. Durch die Verbrennung von Sauerstoff mit Wasserstoff lassen sich innerhalb kürzester Zeit große Mengen Wasserdampf mit hohen Dampfparametern (insbes. hohe Temperatur und keine bzw. geringe Nässe) bereitstellen. Dies ermöglicht es den Sekun- därdampf sehr kurzfristig bereitzustellen und dem Primärdampf beizumischen so bald ein oder mehrere Dampfparameter des Pri- märdampfs vorgebbare Grenzwert unter- oder überschreiten. Durch das gezielte Beimischen von Sekundärdampf kann ein Ge- samtdampf erzielt werden, welcher optimale Dampfparameter zum Betreiben der Dampfturbinenanlage aufweist. Die Erzeugung des Sekundärdampfs mittels Wasserstoffs und Sauerstoffs ist allerdings kostenintensiv. Es ist daher abzu- wägen, die Dampfturbinenanlage mit geringerer Leistung zu be- treiben bzw. durch den suboptimalen Betrieb Schäden zu erzeu- gen oder die höheren Kosten in Kauf zu nehmen. Wünschenswert wäre eine Dampfturbinenanlage, die sehr flexibel zu betreiben und die sich kurzfristig an den Bedarf anpassen lässt. Aufgabe der Erfindung ist es daher eine solche, flexibel zu betreibender Anlage bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche und der Ausführungsbeispiele. Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage, umfasst wenigstens einen Wasser-Dampfkreislauf, in dem eine Dampfturbine mit mindestens einer ersten und einer zweiten Teilturbine ange- ordnet ist. Die erste Teilturbine und die zweiten Teilturbine sind über wenigstens eine erste schaltbare Kupplung verbind- bar. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf eine ers- te Primärdampfquelle und eine zweite Sekundärdampfquelle, wo- bei die erste Teilturbine mit einem Primärdampf der Primär- dampfquelle beaufschlagbar ist und die zweite Teilturbine mit dem Primärdampf der Primärdampfquelle oder einem Teil davon und/oder einem Sekundärdampf (oder einem Teil davon) der Se- kundärdampfquelle beaufschlagbar ist und der Sekundärdampf mittels eines Dampferzeugers, welcher Bestandteil der Sekun- därdampfquelle ist, erzeugbar ist, wobei zur Dampferzeugung Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zur Reaktion gebracht wird. Als Primärdampf im Sinne dieser Erfindung wird der Dampf be- zeichnet, welcher von der Primärdampfquelle stammt, dabei kann es sich auch um bereits teilentspannten Dampf oder um einen Teil des ursprünglichen von der Primärdampfquelle er- zeugten Dampf handeln. Eine Teilturbine besteht dabei aus wenigstens einem Turbinen- gehäuse. Die Kombination von wenigstens zwei Teilturbinen, die über eine schaltbare Kupplung verbindbar sind und einer Sekundärdampfquelle, welche mittels Wasserstoff und Sauer- stoff Wasserdampf erzeugen kann ergibt sich eine hoch flexib- le Dampfturbinenanlage, die an schnell wechselnde Bedingungen sowohl hinsichtlich der Dampfbereitstellung als auch des ab- triebsseitigen Bedarfs (elektrische Energie oder Antriebs- leistung eines angeschlossenen Verbrauchers) anpassbar ist. So kann beispielsweise die ersten Teilturbine einzeln oder zusammen mit der zweite Teilturbine, genügend Primärdampf mit den entsprechenden Dampfparametern vorausgesetzt, ohne zu- sätzlichen Sekundärdampf betrieben werden. Bei unzureichenden Dampfparametern des Primärdampfs kann die zweite Teilturbine mit einem Gemisch aus Primärdampf und Sekundärdampf oder nur mit Sekundärdampf betrieben werden. Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage ist dadurch flexibel, wobei sich die ein- zelnen Betriebsmodi auf Grund der Kupplung und des kurzfris- tig verfügbaren Sekundärdampfs schnell einstellen und variie- ren lassen. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der ersten und der zweiten Teilturbine eine zweite schaltbare Kupplung angeordnet ist, die unabhängig von der ersten schaltbaren Kupplung betätigbar ist und wobei zwischen der ersten und der zweiten schaltbaren Kupplung ein Generator oder eine Maschine angeordnet ist, die je nach Schaltstellung der ersten bzw. zweiten schaltbaren Kupplung mit der ersten und/oder der zweiten Teilturbine verbindbar ist. Die zweite schaltbare Kupplung erhöht damit noch einmal die Flexibilität der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage im Vergleich zur ersten Ausgestaltung. Nachfolgend werden die Vorteile der Erfindung noch einmal an- hand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: Den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage mit einer schaltbaren Kupplung. Fig. 2: Einen ersten Betriebsmodus der in Fig. 1 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 3: Einen zweiten Betriebsmodus der in Fig. 1 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 4: Einen dritten Betriebsmodus der in Fig. 1 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 5: Einen vierten Betriebsmodus der in Fig. 1 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 6: Den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage mit zwei schaltbaren Kupplungen. Fig. 7: Einen ersten Betriebsmodus der in Fig. 6 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 8: Einen zweiten Betriebsmodus der in Fig. 6 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 9: Einen dritten Betriebsmodus der in Fig. 6 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 10: Einen vierten Betriebsmodus der in Fig. 6 gezeigten Dampfturbinenanlage. Fig. 11: Einen fünften Betriebsmodus der in Fig. 6 gezeigten Dampfturbinenanlage. Die Figuren zeigen jeweils eine vereinfachte, schematische Ansicht der Erfindung, bei der im Wesentlichen nur die für die Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Bautei- le, die für den Fachmann selbstverständlich und für den Be- trieb jeder Dampfturbinenanlage notwendig sind, wie bei- spielsweise Ventile, Drosseln, etwaige Getriebe, etwaiger Kondensator sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Bautei- le sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen ver- sehen. Fig. 1 und 6 zeigen somit jeweils eine erfindungsgemä- ße Dampfturbinenanlagen, Fig. 2 bis 5 und 7 bis 11 verschie- dene Betriebsmodi, wobei in diesen Abbildungen (Fig. 2 bis 5 und 7 bis 11) die Bereiche des Wasser-Dampfkreislaufs (z.B. Rohrleitungen) die für den jeweiligen Betriebsmodus nicht be- nötigt werden bzw. nicht durchströmt werden der besseren Übersicht halber nicht dargestellt sind. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausfüh- rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage. Die Dampfturbinenanlage umfasst einen Wasser-Dampfkreislauf 1 in dem eine Dampfturbine 2 angeordnet ist. Die Dampfturbine 2 umfasst eine erste Teilturbine 2´und eine zweite Teilturbine 2´´. Die beiden Teilturbinen 2´, 2´´ sind in Reihe geschaltet und über eine schaltbare Kupplung 3 verbindbar, so dass sie bei geschlossener Kupplung 3 eine gemeinsame Abtriebswelle 8 antreiben können. Die Dampfturbinenanlage umfasst des Weite- ren eine Primärdampfquelle 4. Der von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellte Primärdampf kann schwankende Dampfpa- rameter aufweisen, die einen kontinuierlichen Betrieb der Dampfturbinenanlage, oder zumindest den Betrieb der Dampftur- binenanlage in einem optimalen Betriebspunkt verhindern können. Bei der Primärdampfquelle 4 kann es sich beispiels- weise um ein Müllheizkraftwerk oder ein regeneratives Kraft- werk (z.B. solarthermisches Kraftwerk) handeln. Um einen kon- tinuierlichen Betrieb der Dampfturbinenanlage zu gewähren, oder die Dampfparameter des Dampfes vor und/oder entlang der Expansionsstrecke anzupassen, ist eine Sekundärdampfquelle 5 vorgesehen. Die Sekundärdampfquelle 5 bezieht Ihren Dampf dadurch, dass Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert mitei- nander zur Reaktion gebracht werden. Dabei lassen sich große Mengen Wasserdampf mit hohen Dampftemperaturen erzielen. Zur Konditionierung des Sekundärdampfs kann dem so entstandenen Dampf zusätzlich Wasser (flüssig oder dampfförmig) zugeführt werden. Die Primär- und Sekundärdampfquelle 4,5 sind so in- nerhalb des Wasser-Dampfkreislaufs 1 angeordnet, dass die erste Teilturbine 2´ mit dem Primärdampf der Primärdampfquel- le 4 und die zweite Teilturbine 2´´ mit dem Primärdampf der Primärdampfquelle 4, dem bereits teilentspanntem Primärdampf (nach Expansion in Teilturbine 2´) und/oder einem Teil davon und/oder einem Sekundärmassenstrom der Sekundärdampfquelle 5 beaufschlagt werden kann. Welcher Betriebsmodus jeweils ge- fahren wird, hängt dabei im Wesentlichen von den Dampfparame- tern, insbesondere dem Massenstrom, dem Druck, der Nässe und/oder der Temperatur des Primärdampfs ab. Durch eine vor- zugsweise kontinuierliche Erhebung der benötigten Messdaten und deren Abgleich mit den Soll-Werten, z.B. anhand entspre- chender Kennfelder, kann der optimale Betriebsmodus einge- stellt werden. Die hierzu notwenige Mess- und Regeleinrich- tung ist nicht dargestellt. Nachfolgend werden in Fig. 2 bis 5 verschiedene Betriebsmodi dargestellt, welche mit der Dampfturbinenanlage nach Fig. 1 gefahren werden können. Fig. 2 zeigt einen ersten Betriebsmodus der in Fig. 1 gezeig- ten Dampfturbinenanlage. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage ausschließlich mit Primärdampf, welcher von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellt wird. Ein typischer Anwendungsfall wäre der, dass genügend Primärdampf mit Dampfparametern zur Verfügung steht, die einen Betrieb der Dampfturbinenanlage in einem optimalen Betriebspunkt er- möglichen. Ein Beimischen von Sekundärdampf kann in einem solchen Fall unterbleiben. Der von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellte Primärdampf wird zunächst dem Dampf- eintritt 9 der ersten Teilturbine 2´zugeführt und es erfolgt eine erste Entspannung des Primärdampfs, bevor der teilent- spannte Primärdampf über den Dampfaustritt 10 die erste Teilturbine 2´ verlässt und über entsprechende Leitungen des Wasser-Dampfkreislaufs 1 dem Dampfeintritt 11 der zweiten Teilturbine 2´´ zugeführt, dort weiter entspannt und die zweite Teilturbine 2´´ über den Dampfaustritt 12 verlässt. Die schaltbare Kupplung 3 ist geschlossen, so dass die gesam- te von den Teilturbinen 2´, 2´´ zur Verfügung gestellte Leis- tung an die gemeinsame Abtriebswelle 8 übertragen werden kann. Fig. 3 zeigt einen zweiten Betriebsmodus der in Fig. 1 ge- zeigten Dampfturbinenanlage. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage ausschließlich mit Sekundärdampf, welcher von der Sekundärdampfquelle 5 zur Verfügung gestellt wird. Ein typischer Anwendungsfall wäre beispielsweise, wenn in ei- nem solarthermischen Kraftwerk die Primärdampfquelle mittels Solarenergie betrieben würde und eine längere Verdunklungs- bzw. Beschattungsphase vorläge, z.B. auf Grund von dichten Wolken. Der von der Sekundärquelle 5 zur Verfügung gestellte Sekundärdampf wird dem Dampfeintritt 11 der zweiten Teiltur- bine 2´´ zugeführt, innerhalb der zweiten Teilturbine 2´´ entspannt und verlässt anschließend die zweite Teilturbine 2´´ über den Dampfaustritt 12. Die bei der Entspannung ver- richtet Arbeit wird an die Abtriebswelle 8 übertragen. Die schaltbare Kupplung 3 ist geöffnet, so dass die erste Teilturbine 2´ nicht im Eingriff ist. Fig. 4 zeigt einen dritten Betriebsmodus der in Fig. 1 ge- zeigten Dampfturbinenanlage. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage mit Primärdampf, dem während der Expansi- onsphase Sekundärdampf beigemischt wird. Ein typischer Anwen- dungsfall wäre beispielsweise, wenn die Dampfparameter des Primärdampfs zu Beginn der Expansionsphase noch innerhalb der zulässigen Grenzen liegen, aber während der Expansion die Be- triebsbereiche unter- und/oder überschreiten, beispielsweise wenn die Temperatur am Dampfaustritt 10 aus der ersten Teilturbine 2´ zu gering ist. Der von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellte Primärdampf wird zunächst dem Dampf- eintritt 9 der ersten Teilturbine 2´zugeführt und es erfolgt eine erste Entspannung des Primärdampfs. Der teilentspannte Primärdampf verlässt über den Dampfaustritt 10 die erste Teilturbine 2´ und wird anschließend über entsprechende Lei- tungen des Wasser-Dampfkreislaufs 1 dem Dampfeintritt 11 der zweiten Teilturbine 2´´ zugeführt. Um die Dampfparameter vor dem Eintritt in die zweite Teilturbine 2´´ anzupassen, wird dem teilentspannten Primärdampf Sekundärdampf beigemischt, welcher von der Sekundärdampfquelle 5 bereitgestellt wird. Die Dampfparameter des beigemischten Sekundärdampfs richten sich dabei nach den Dampfparametern des teilentspannten Pri- märdampfs stromab des Dampfaustritts 10 (welche sich unter anderem auch mittelbar aus der Leistung und/oder Drehzahl so- wie weiteren Dampfparametern entlang der Expansionsstrecke bestimmen lassen). Die benötigten Größen werden hierzu mit Hilfe entsprechender Sensoren gemessen und eine nachgeschal- tete Regeleinheit bestimmt anhand der gemessenen Größen die Dampfparameter des beizumischenden Sekundärdampfs, um einen Gesamtdampf zu erzielen, dessen Dampfparameter innerhalb zu- lässiger und vorgegebener Grenzen liegen. Die Mess- und Re- geleinheit ist in allen Figuren nicht explizit dargestellt. Nach dem Vermischen des teilentspannten Primärdampfs mit dem Sekundärdampf wird der aus teilentspanntem Primärdampf und Sekundärdampf gebildete Gesamtdampf über den Dampfeintritt 11 der zweiten Teilturbine 2´´ zugeführt, entspannt und über den Dampfaustritt 12 aus der zweiten Teilturbine 2´´ abgeführt. Die Kupplung 3 ist in diesem Betriebsmodus im Eingriff, so dass beide Teilturbinen 2´, 2´´ Arbeit an die Abtriebswelle 8 übertragen können. Fig. 5 zeigt einen vierten Betriebsmodus der in Fig. 1 ge- zeigten Dampfturbinenanlage. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage mit Primärdampf und Sekundärdampf, wobei die erste Teilturbine 2´ nicht mit Dampf beaufschlagt wird und keine Arbeit verrichtet. Der Primärdampf, welcher von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellt wird, wird vor dem Eintritt in die zweite Teilturbine 2´´ mit Sekundärdampf, welcher von der Sekundärdampfquelle 5 zur Verfügung gestellt wird, vermischt. Im Gegensatz zum Betriebsmodus nach Fig. 4 ist die Kupplung 3 nicht im Eingriff und der aus Primär- und Sekundärdampf gebildete Gesamtdampf wird direkt über den Dampfeintritt 11 in die zweite Teilturbine 2´´ geleitet, dort entspannt und über den Dampfaustritt 12 aus der zweiten Teilturbine 2´´ herausgeführt. Die von der zweiten Teilturbi- ne 2´´ geleistet Arbeit wird an die Abtriebswelle 8 übertra- gen. Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausfüh- rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage. Der wesentliche Unterschied, zwischen der in Fig. 1 beschrie- benen Dampfturbinenanlage besteht darin, dass jede Teilturbi- ne eine eigene Abtriebswelle 8´, 8´´ aufweist die durch schaltbare Kupplungen 3´, 3´´ mit einem Generator bzw. einer anzutreibenden Maschine 7 verbindbar sind. Jede Abtriebswelle 8´, 8´´ steht hierzu mit jeweils einer schaltbare Kupplung 3´, 3´´ in Verbindung, über die die jeweilige Abtriebswelle 8´, 8´´ mit einem zwischen den beiden Abtriebswellen 8´, 8´´ angeordneten Generator oder angeordneten Arbeitsmaschine 7 verbunden werden kann. Zudem können beide Abtriebswellen 8´, 8´´ mit unterschiedlichen Drehzahlen Arbeit verrichten. Der übrige Aufbau und die verwendeten Bauteile der Dampfturbinen- anlage sind im Wesentlichen baugleich zum Aufbau nach Fig. 1 auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Ebenso sind die zuvor beschriebenen Betriebsmodi 1-4 mit der Dampfturbinenanlage nach Fig. 6 durchführbar, wobei je nach Betriebsmodus entwe- der die erste, die zweite oder beide Teilturbinen 2´,2´´ den Generator bzw. die Arbeitsmaschine 7 antreiben. Ohne noch einmal im Detail auf die Betriebsmodi einzugehen, hier sei wiederum auf die vorherigen Erläuterungen zu den einzelnen Betriebsmodi verwiesen, wird nachfolgend kurz die Stellung der einzelnen Kupplungen 3´, 3´´ und die in Folge der Stel- lung ergebenden Funktionen beschrieben. Fig. 7 zeigt einen ersten Betriebsmodus einer erfindungsgemä- ßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 6, analog zum ersten Be- triebsmodus der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 2. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinen-anlage ausschließlich mit Primärdampf, welcher von der Primärdampf- quelle 4 zur Verfügung gestellt und nachfolgend zunächst in der ersten Teilturbine 2´und anschließend in der zweiten Teilturbine 2´´ entspannt wird. Die beiden Kupplungen 3´und 3´´ befinden sich dabei im Eingriff, so dass die von den bei- den Teilturbinen 2´,2´´ geleistete Arbeit über die jeweilige Abtriebswelle 8´,8´´ an den Generator 7 übertragen werden kann. Fig. 8 zeigt einen zweiten Betriebsmodus einer erfindungsge- mäßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 6, analog zum zweiten Be- triebsmodus der erfindungsgemäßen Dampfturbinen-anlage nach Fig. 3. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage ausschließlich mit Sekundärdampf, welcher von der Sekundär- dampfquelle 5 zur Verfügung gestellt wird. Der Sekundärdampf wird mittels der zweiten Teilturbine 2´´ entspannt und die dabei verrichtete Arbeit wird über die zweite Abtriebswelle 8´´ an den Generator 7 übertragen. Zu diesem Zweck befindet sich die zweite Kupplung 3´´ im Eingriff. Die Erste Teiltur- bine 2´ wird in diesem Modus nicht mit Dampf beaufschlagt und verrichtet somit keine Arbeit. Die erste Kupplung 3´ befindet sich nicht im Eingriff und entkoppelt damit die erste Teilturbine 2´ vom Generator 7 und somit auch von der zweiten Teilturbine 2´´. Fig. 9 zeigt einen dritten Betriebsmodus einer erfindungsge- mäßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 6, analog zum dritten Be- triebsmodus der erfindungsgemäßen Dampfturbinen-anlage nach Fig. 4. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage mit Primärdampf der Primärdampfquelle 4, dem während der Ex- pansionsphase Sekundärdampf der Sekundärdampfquelle 5 beige- mischt wird, um die Dampfparameter anzupassen. Für Einzelhei- ten wird an dieser Stelle auf die Beschreibung zu Fig 4 ver- wiesen. In diesem Betriebsmodus befindet sich sowohl die ers- te als auch die zweite Kupplung 3´,3´´ im Eingriff um die bei der Expansion vom Dampf in den jeweiligen Teilturbinen 2´,2´´ verrichtete Arbeit, über die jeweilige Abtriebswellen 8´,8´´, an den Generator 7 zu übertragen. Fig. 10 zeigt einen vierten Betriebsmodus einer erfindungsge- mäßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 6, analog zum vierten Be- triebsmodus der erfindungsgemäßen Dampfturbinen-anlage nach Fig. 5. Hierbei erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage mit Primärdampf, welcher von der Primärdampfquelle 4 zur Ver- fügung gestellt und vor dem Eintritt in die zweite Teilturbi- ne 2´´ mit Sekundärdampf, welcher von der Sekundärdampfquelle 5 zur Verfügung gestellt, vermischt wird. In diesem Betriebs- modus befindet sich die zweite Kupplung 3´´ im Eingriff um die bei der Expansion des Gesamtdampfmassenstroms in der zweiten Teilturbine 2´´ verrichtete Arbeit, über die zweite Abtriebswelle 8´´, an den Generator 7 zu übertragen. Die ers- te Teilturbine 2´ wird nicht mit Primärdampf beaufschlagt und verrichtet in diesem Betriebsmodus keine Arbeit; infolgedes- sen befindet sich die erste Kupplung 3´ nicht im Eingriff. Die erste Abtriebswelle 8´ ist dadurch vom Generator 7 ent- koppelt. Fig. 11 zeigt einen fünften Betriebsmodus einer erfindungsge- mäßen Dampfturbinenanlage nach Fig. 6. In diesem Betriebsmo- dus erfolgt der Betrieb der Dampfturbinenanlage ausschließ- lich mit Primärdampf, welcher von der Primärdampfquelle 4 zur Verfügung gestellt wird und ausschließlich in der ersten Teilturbine 2´ entspannt wird. Die dabei verrichtete Arbeit wird über die erste Abtriebswelle 8´ an den Generator 7 abge- geben. Hierzu wird die erste Kupplung 3´ im Eingriff ge- bracht. Die zweite Teilturbine 2´´ verrichtet keine Arbeit und infolgedessen befindet sich die zweite Kupplung 3´´ nicht im Eingriff. Die zweite Abtriebswelle 8´´ ist dadurch vom Ge- nerator 7 entkoppelt. Ein solcher Betriebsmodus ist auf Grund des Aufbaus mit einer Dampfturbinenanlage gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels möglich jedoch nicht zweckmä- ßig. In diesem Fall würde die zweite Teilturbine 2´´ auf Grund des Aufbaus ohne zweite schaltbare Kupplung durch die erste Teilturbine 2´ mitgeschleppt, was in Folge der Verluste zu einer geringeren Leistung des Generators 7 führen würde; zudem könnte etwaiges Ventilieren der zweiten Teilturbine 2´´ in Folge des Nicht-Beaufschlagens mit Dampf zu Schäden an der Dampfturbinenanlage führen.

Claims

Patentansprüche 1. Dampfturbinenanlage, umfassend wenigstens einen Wasser- Dampfkreislauf (1), wobei der Wasser-Dampfkreislauf (1) wenigstens eine Dampfturbine (2) mit mindestens einer ers- ten und einer zweiten, Teilturbine (2´,2´´) umfasst, wobei die erste Teilturbine (2´) mit der zweiten Teiltur- bine (2´´) über wenigstens eine erste schaltbare Kupplung (3) mittel- oder unmittelbar verbindbar ist, wobei der Wasser-Dampfkreislauf (1) des Weiteren eine ers- te Primärdampfquelle (4) und eine zweite Sekundärdampf- quelle (5) aufweist, wobei die erste Teilturbine (2´) mit einem Primärdampf der Primärdampfquelle (4) beaufschlagbar ist und die zweite Teilturbine (2´´) mit dem Primärdampf der Primärdampfquel- le (4) oder einem Teil davon und/oder einem Sekundärdampf der Sekundärdampfquelle (5) beaufschlagbar ist und der Sekundärdampf mittels eines Dampferzeugers erzeugbar ist, welcher Bestandteil der Sekundärdampfquelle (5) ist, welcher zur Dampferzeugung Wasserstoff und Sauerstoff mit- einander zur Reaktion bringt. 2. Dampfturbinenanlage, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Teilturbine (2´,2´´) eine zweite schaltbare Kupplung (3´´) angeordnet ist, die unabhängig von der ersten schaltbaren Kupplung (3´) betä- tigbar ist und wobei zwischen der ersten und der zweiten schaltbaren Kupplung (3´,3´´) ein Generator oder eine Maschine (7) angeordnet ist, die je nach Schaltstellung der ersten bzw. zweiten schaltbaren Kupplung (3´,3´´) mit der ersten und/oder der zweiten Teilturbine (2´,2´´) verbindbar ist.
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