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Die Erfindung betrifft eine Umlenkgehäuseanordnung für eine Dampfturbinenanordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie Dampfturbinenanordnung mit einer solchen Umlenkgehäuseanordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 7.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Lösung zur effizienten Kondensation des Abdampfes einer Kondensationsturbine, wobei der Dampf in einem der Kondensationsturbine nachgelagerten Kondensator kondensiert wird.
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Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Kondensatoren, die in solchen Dampfturbinenanordnungen Verwendung finden, luftgekühlte Kondensatoren und wassergekühlte Kondensatoren. Aufgrund der weltweit fortschreitenden Klimaveränderung kommt es in den Sommermonaten zu einer rapiden Abnahme des Wasserstandes und der Wasserführung in Flüssen und Kanälen. Gleichzeitig steigen die Temperaturen in diesen Gewässern auf Höchstwerte an, was die Entnahme von Kühlwasser sowie die Einleitung von aufgeheiztem Kühlwasser aufgrund gesetzlicher Grenzwerte verbietet. Diese Umstände führen dazu, dass der Einsatz von hybriden Kühlsystemen, die sowohl luft- als auch wassergekühlte Kondensatoren kombinieren, immer weiter forciert wird.
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Um im Leistungsbereich von Industriedampfturbinen eine kostengünstige und betrieblich optimierte Lösung anbieten und realisieren zu können, wurde die nachfolgend beschriebene Aufstellungskonfiguration entwickelt. Diese Konfiguration kombiniert einen wassergekühlten Kondensator, der vom Spätsommer bis zum Frühsommer in Betrieb ist, mit einem luftgekühlten Kondensator, der im Hochsommer betrieben wird. Diese Kombination stellt besondere Herausforderungen an die Auslegung des Dampfturbosatzes und die anschließende Aufstellung dar. Ausschlaggebend dafür sind die großen Unterschiede bei dem sich einstellenden Vakuum im Betrieb mit diesen hybriden Aggregaten: circa 15 bis 80 mbar bei der Abdampfkondensation mit Kühlwasser gegenüber etwa 150 bis 300 mbar bei der Abdampfkondensation mit Luft.
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Für die Anwendung von Luftkondensatoren (LuKo) hat sich weltweit der Einsatz von axialen Abdampfgehäusen durchgesetzt. Dies berücksichtigt die Tatsache, dass Luftkondensatoren eine gewisse Aufstellungshöhe bedingen (Luftansaugung von unten) und daher der Einsatz von axialen Abströmungen auf einem recht niedrigen Turbinentisch oder Blockfundament die optimale Abströmung und Überleitung des Abdampfes hin zum LuKo ermöglicht, was zu geringen Überström- und Druckverlusten führt. Beim Einsatz von wassergekühlten Kondensatoren, die oft unterhalb der Tischplatte platziert sind, wird nach wie vor häufig die Verwendung von radialen Abdampfgehäusen bevorzugt.
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Um ein hybrides System auch mit tiefem Vakuum bei der Koppelung mit dem wassergekühlten Kondensator betreiben zu können, ist die Abtrennung des LuKo unabdingbar. Andernfalls wird das Vakuum durch Undichtigkeiten im LuKo immer wieder gebrochen, was den Entspannungsverlauf signifikant verkürzt. Durch den Betrieb mit dem Luftkondensator werden Leistungseinbußen im Bereich von bis zu 15% der nominalen Leistung erwartet.
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Um zukünftig vermehrt ein hybrides Kondensatsystem bestehend aus wasser- und luftgekühltem Kondensator auslegungs- und aufstellungsoptimiert ausführen zu können, wird die axiale Abströmung bevorzugt. Bislang wurden hybride Kühlsysteme in Verbindung mit Heizdampfauskopplungen eingesetzt, wobei eine Umschaltung zwischen einem heizwassergestützten Heizkondensator und einem luftgekühlten Kondensator erfolgte. Dabei wurden zunächst Kugelventile für die Umschaltung der Abdampfleitungen verwendet, die sich jedoch aufgrund von Rost- und Schmutzablagerungen als unzuverlässig erwiesen. Der nachfolgende Umbau auf große Absperrklappen war sehr kostenintensiv und löste das technische Problem nur teilweise.
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Eine mögliche Lösung wäre der Einsatz einer sogenannten Hotbox für den Anschluss des Luftkondensators bei nebenstehenden oder liegenden wassergekühlten Kondensatoren. Diese Lösung führt jedoch zu einer wesentlichen Vergrößerung der Kubatur des Maschinenhauses oder Wetterschutzhaube und ist daher sehr teuer. Zudem muss der Abströmquerschnitt gegen Vakuumzug und Implodieren verstärkt werden, was zu erhöhten Verlusten und somit einer erheblichen Leistungsminderung führt.
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Bei Kühlwasserknappheit kommt es zu ineffizientem Teillastbetrieb oder sogar zur Abschaltung von Dampfkraftwerken. Eine kontinuierliche Prozessdampfversorgung ist dann nur über Bypass-Dampfsysteme mit hoher Ineffizienz möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Umlenkgehäuseanordnung für eine Dampfturbinenanordnung bereitzustellen, die eine effiziente und kostengünstige Lösung für den Betrieb mit hybriden Kühlsystemen ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampfturbinenanordnung mit einer solchen Umlenkgehäuseanordnung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Umlenkgehäuseanordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Dampfturbinenanordnung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander eisetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Umlenkgehäuseanordnung für eine Dampfturbinenanordnung, wobei die Dampfturbinenanordnung wenigstens eine Kondensationsturbine sowie wenigstens einen wassergekühlten Kondensator und wenigstens einen luftgekühlten Kondensator umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass die Umlenkgehäuseanordnung ein Umlenkgehäuse umfasst, wobei das Umlenkgehäuse wenigstens einen, zur Turbinenachse axialen Durchlass aufweist, durch den Dampf von der Kondensationsturbine zum luftgekühlten Kondensator strömen kann und wenigstens einen, zur Turbinenachse radialen Durchlass aufweist, durch den Dampf von der Kondensationsturbine zum wassergekühlten Kondensator strömen kann und wobei wenigstens ein Absperrorgan vorgesehen ist, welches eine vakuumdichte Abdichtung des axialen Durchlasses ermöglicht.
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Durch den Einsatz einer vakuumdichten Abdichtung des axialen Durchlasses ist die Koppelung mit dem wassergekühlten Kondensator möglich, ohne dass das Vakuum durch Undichtigkeiten im Luftkondensator immer wieder gebrochen wird.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umlenkgehäuseanordnung sieht vor, dass das Absperrorgan eine Steckscheibe und/oder eine vakuumdichte Absperrklappe umfasst.
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Im Gegensatz zu anderen Absperrorganen, beispielsweise Kugelventilen, bei denen es häufig zu Rost- und Schmutzablagerungen kommt, welche dann regelmäßig zu Betriebsstörungen führen, sind Steckscheiben und/oder vakuumdichte Absperrklappen auf Grund ihres einfachen Aufbaus störungsunempfindlich und zudem preiswert. Beim Einsatz einer vakuumdichten Absperrklappe kann auf die De- und Montage der Steckscheibe verzichtet werden und somit Stillstandzeiten vermieden werden, wodurch ein kontinuierlicher Anlagenbetrieb gegeben ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steckscheibe einen radialen Umlenkdiffusor umfasst. Der Umlenkdiffusor kann strömungstechnisch optimiert werden, um die Strömungsverluste durch die Umlenkung des Abdampfes zu reduzieren/minimieren.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Umlenkgehäuse eine weitere Öffnung zum Einleiten von Bypassdampf aufweist und das Absperrorgan eine, in Abhängigkeit von vorgebbaren Parametern, automatische Umschalteinrichtung umfasst. Als vorgebbare Parameter können beispielsweise die Vorlauftemperatur des wassergekühlten Kondensators und/oder die zur Verfügung stehende Kühlwassermenge herangezogen werden.
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Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung umfassend eine Umlenkgehäuseanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche zeichnet sich dadurch aus, dass die Kondensationsturbine, das Umlenkgehäuse und das Absperrorgan innerhalb eines Maschinenhauses oder unter einer Wetterschutzhaube auf einer Tischplatte/ einem Fundament/ einem Rahmen angeordnet sind und der wassergekühlte Kondensator unterhalb oder seitlich neben der Tischplatte/ dem Fundament/ dem Rahmen innerhalb des Maschinenhauses oder unter einer Wetterschutzhaube angeordnet ist.
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Mit der beschriebenen Tandem-Aufstellungsanordnung wird eine optimierte Abdampfführung sowie eine zeitsparende De- und Montage der Steckscheibe bzw. mit dem Einsatz einer vakuumdichten Absperrklappe die einfache Abtrennung des Luftkondensators ermöglicht. Der mit der Erfindung einhergehende wirtschaftliche hybride Betrieb des kalten Endes stellt in der Zeit von zunehmender Flusswasser Knappheit einen wesentlichen Betrag zur Dekarbonisierung da, da ein leistungsoptimierter und kontinuierlicher Betrieb speziell für Prozessdampf- bzw. Heizdampf-Kraftwerke in möglicher Verbindung mit der Verbrennung von Müll ermöglicht wird. Der wassergekühlte Betrieb erhöht die Leistungsausbeute nennenswert, da ein wesentlich tieferes Vakuum erreicht wird.
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Nachfolgend werden weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1: Den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Umlenkgehäuseanordnung
- Fig. 2: Eine erfindungsgemäßen Umlenkgehäuseanordnung mit einer Steckscheibe mit strömungsoptimierter Umlenkgeometrie.
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Die Abbildungen stellen dabei lediglich schematische und nicht zwangsläufig maßstabsgerechte Darstellungen da. Es werden im Wesentlichen nur die zum Verständnis der Erfindung benötigten Bauteile gezeigt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung 2 mit einem erfindungsgemäßen Umlenkgehäuseanordnung 1. Die Dampfturbinenanordnung 2 umfasst neben der Umlenkgehäuseanordnung 1, eine Kondensationsturbine 3, einen wassergekühlten Kondensator 4 sowie einen luftgekühlten Kondensator 5. Im Ausführungsbeispiel weist die Dampfturbinenanordnung 2 eine weitere (Entnahme)-Gegendruckturbine 14 mit starr gekuppeltem Generator 16 (Einsatz Getriebe möglich) auf. Zwischen der Gegendruckturbine 14 und der Kondensationsturbine 3 ist eine SSS-Kupplung angeordnet die eine automatische Ent- und Kopplung des Kondensationsteiles ermöglich.
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Die Kondensationsturbine 3, das Umlenkgehäuse 6 und das Absperrorgan 10 sind innerhalb eines Maschinenhauses oder unter einer Wetterschutzhaube (in der Figur nicht dargestellt) auf einer Tischplatte 13 (Fundament/ Rahmen) angeordnet. Der wassergekühlte Kondensator 4 ist unterhalb oder seitlich neben der Tischplatte 13 innerhalb des Maschinenhauses oder unter der Wetterschutzhaube angeordnet ist, wohingegen der luftgekühlten Kondensator 5 außerhalb des Maschinenhauses oder Wetterschutzhaube angeordnet ist und der Dampf über eine axialen Abströmung durch die Maschinenhauswand oder Wetterschutzhaube zum luftgekühlten Kondensator 5 geführt wird.
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Die Umlenkgehäuseanordnung 1 umfasst ein Umlenkgehäuse 6 sowie ein Absperrorgan 10. Das Absperrorgan 10 kann dabei im Umlenkgehäuse 6 oder als separates Bauteil ausgebildet sein. Das Umlenkgehäuse 6 weist einen zur Turbinenachse 7 axialen Durchlass 8 auf, durch den Dampf von der Kondensationsturbine 3 zum luftgekühlten Kondensator 5 strömen kann. Darüber hinaus weist das Umlenkgehäuse 6 einen zur Turbinenachse 7 radialen Durchlass 9 auf, durch den Dampf von der Kondensationsturbine 3 zum wassergekühlten Kondensator 4 strömen kann. Ferner ist eine radiale Öffnung 12 zum Einleiten von Bypassdampf in das Umlenkgehäuse 6 vorgesehen.
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Das Absperrorgan 10 ermöglicht eine vakuumdichte Abdichtung des axialen Durchlasses 8. Die vakuumdichte Abdichtung erfolgt über eine Steckscheibe oder eine vakuumdichte Absperrklappe. Beim Einsatz einer vakuumdichten Absperrklappe kann auf die De- und Montage der Steckscheibe verzichtet werden und somit Stillstandzeiten vermieden werden, wodurch ein kontinuierlicher Anlagenbetrieb gegeben ist. Die Steuerung der Absperrklappe kann dabei automatisch anhand vorgebbarer Parameter erfolgen. Hierzu kann beispielsweise die Vorlauftemperatur des wassergekühlten Kondensators 4 und/oder die zur Verfügung stehende Kühlwassermenge herangezogen werden. Zur Messung der Parameter und zur Steuerung der Absperrklappe ist eine entsprechende Mess- und Reglungstechnik vorzusehen. Beim Einsatz einer Steckscheibe zur vakuumdichten Abdichtung kann diese strömungstechnisch optimiert werden, um Strömungsverluste durch die Umlenkung des Dampfes zu minimieren. Um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten können auch mehrere Absperrorgane hintereinander angeordnet werden.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäßen Umlenkgehäuseanordnung 1 mit einem Umlenkgehäuse 6 und einer Steckscheibe 10 als Absperrorgan.
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Das Umlenkgehäuse 6 umfasst vier Öffnungen (9, 12, 14 15), wobei sich ein axialer Durchgang bzw. ein radialer Durchgang herstellen lässt. Über den axialen Durchgang kann der Dampf zum luftgekühlten Kondensator und über die radial Öffnung 9 zum wassergekühlten Kondensator geführt werden (siehe auch Fig. 1). Über die zusätzliche Öffnung 12 kann Bypassdampf in das Umlenkgehäuse 6 eingeleitet werden.
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Der axiale Durchgang kann mittels der Steckscheibe 10 verschlossen werden. Zum Einführen der Steckscheibe kann ein Einschubgehäuse vorgesehen sein, welches separat oder als integraler Bestandteil des Umlenkgehäuses 6 ausgebildet ist.
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Die Steckscheibe 10 weist eine strömungsoptimierter Umlenkgeometrie 11 auf. Die Umlenkgeometrie 11 ist als integrierter Umlenkdiffusor ausgebildet und am Ende dreidimensional ausgeführt. Die Umlenkgeometrie 11 ermöglich eine strömungsoptimierte Umlenkung des Dampfes von einer weitgehend axialen Zuströmung ins Umlenkgehäuses 6 zu einer weitgehend radialen Abströmung aus dem Umlenkgehäuses 6 zum wassergekühlten Kondensator. Der Umlenkdiffusor ist gegebenenfalls noch zu versteifen, um Schwingungen zu vermeiden.