WO2002027152A2

WO2002027152A2 - Dampfturbinenanlage und verfahren zum betreiben einer dampfturbinenanlage

Info

Publication number: WO2002027152A2
Application number: PCT/DE2001/003673
Authority: WO
Inventors: Harry Sauer; Edmund Kraner
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2002-04-04
Also published as: DE10048439C2; CN1466660A; DE10048439A1; WO2002027152A3; US20040003593A1; EP1330604A2

Abstract

Bei der Dampfturbinenanlage (2) mit einer Vakuumpumpeinrichtung (14), die in Serie nacheinander angeordnet eine Strahlpumpe (26) und eine Flüssigkeitsringpumpe (28) aufweist. Für die Strahlpumpe (26) wird als Treibmittel (T) ein in der Anlage (2) anfallender Dampf (D), bevorzugt mit Luft (L) vermischt, als Treibmittel (T) verwendet. Dadurch kann die nachgeordnete Flüssigkeitsringpumpe (28) vergleichsweise klein dimensioniert sein. Vorzugsweise ist die Vakuumpumpeinrichtung (14) als ein zentrales Vakuumpumpsystem für die Dampfturbinenanlage (2) ausgebildet und dient zur Entlüftung einer Vielzahl von Anlagenkomponenten (8,18,22).

Description

Beschreibung

Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage mit einer Vakuumpumpeinrichtung, welche in Serie nacheinander angeordnet eine Strahlpumpe und eine Flüssigkeitsringpumpe aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben ei- ner Dampfturbinenanlage, bei dem mittels einer Vakuumpumpein- richtung, die in Serie nacheinander eine Strahlpumpe und eine Flüssigkeitsringpumpe aufweist, eine Anlagenkomponente entlüftet wird.

Bei einer Dampfturbinenanlage, beispielsweise auf dem Gebiet der Energieerzeugung, ist in der Regel eine Hauptturbinenanlage mit mehreren Turbinenstufen vorgesehen, um den Energieinhalt des bereitgestellten Dampfes möglichst gut auszunutzen. Leistungsstarke Dampfturbinenanlagen weisen in der Regel eine Hochdruck-, eine Mitteldruck- und eine Niederdruckstufe auf, wobei ein in einem Kessel erhitzter Dampf der Hochdruckstufe zugeführt wird und sich in Richtung zur Niederdruckstufe entspannt. Die Niederdruckstufe weist endseitig einen Unterdruck in der Größenordnung zwischen 80 bar und 18 mbar auf. Der aus der Niederdruckstufe austretende Dampf wird einem Kondensator zugeführt und dort auskondensiert.

Die bei der Kondensation im Kondensator anfallende Gasmenge muss aus diesem abgesaugt werden. Hierzu ist eine Vakuumpump- einrichtung vorgesehen, die aufgrund des niedrigen Enddrucks an der Niederdruckstufe saugseitig einen Unterdruck beispielsweise ≤ 18 mbar erreichen muss. Aufgrund der in der Dampfturbinenanlage anfallenden, in der Regel großen Dampfmenge muss die Vakuumpumpeinrichtung zum Absaugen einer gro- ßen Gasmenge eines Fördergases aus dem Kondensator zu dessen Entlüftung ausgelegt sein. In einer Dampfturbinenanlage für ein großes Kraftwerk ist gewöhnlich weiterhin eine Nebenturbine für eine Speisewasserzuführung zum Kessel vorgesehen, die beispielsweise eine Leistung von 20 MW gegenüber einer Leistung der Hauptturbinenan- läge von etwa 1 GW aufweist. Dieser Nebenturbine ist ebenfalls ein Kondensator zugeordnet, der entlüftet werden muss.

Der jeweilige Kondensator umfasst in der Regel ein Röhrensystem, das von dem zu kondensierende Dampf aus der Turbine be- aufschlagt wird. Gekühlt wird der Dampf mit Hilfe von Wasser, das dem Kondensator über eine sogenannte Wasserkammer zugeführt wird. Um die Arbeitsfähigkeit des Kondensators zu erhalten, muss auch die Wasserkammer entlüftet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die Entlüftungs- leistung im Hinblick auf den Kondensator für die Niederdruckstufe, für die' Nebenturbine und im Hinblick auf die Wasserkammer des Kondensators, ist gegenwärtig für jedes dieser drei Teilsysteme eine eigene Vakuumpumpeinrichtung vorgesehen.

Aus der GB 1 542 483 ist zum Entlüften eines Kondensators einer Dampfturbine eine Vakuumpumpeinrichtung bekannt, bei der in Serie nacheinander eine Strahlpumpe und eine Flüssigkeitsringpumpe vorgesehen sind. Als Treibmittel für die Strahlpumpe ist Luft vorgesehen. Durch Vorschalten der

Strahlpumpe vor die Flüssigkeitsringpumpe wird der zu erzielende Unterdruck verbessert. Typischerweise lässt sich mit einer Flüssigkeitsringpumpe ein Unterdruck von ca. 50 mbar erzeugen. Durch Vorschalten einer Strahlpumpe lässt sich mit dem Gesamtsystem ein Unterdruck von bis zu < 15 mbar erreichen.

Bei dem System bestehend aus der Strahlpumpe und der Flüssigkeitsringpumpe besteht generell das Problem, dass die Flüs- sigkeitsringpumpe sowohl für die Menge des eigentlichen abzusaugenden Fördergases zuzüglich der Menge des Treibmittels für die Strahlpumpe ausgelegt sein muss. Dabei ist die not- CO co t IV) P¹ →

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nämlich um etwa 40 - 50%, da der dampfförmige Massenanteil in der Flüssigkeitsringpumpe kondensiert und nicht auf atmosphärischen Druck verdichtet werden muss.

Zweckdienlicherweise ist die Dampfleitung, über die der

Strahlpumpe Dampf als Treibmittel zugeführt wird, an einen Sperrdampfkreislauf für eine Turbinenwellendichtsystem angeschlossen.

Zum Abdichten der rotierenden Turbinenwelle ist in der Regel eine Labyrinthdichtung vorgesehen, durch die ein sogenannter Sperrdampf geführt wird. Nach Verlassen der Turbinendichtung wird dieser Sperrdampf auch als Wrasendampf bezeichnet. Dieser Wrasendampf ist ein in der Dampfturbinenanlage anfallen- des „Abfallprodukt* und eignet sich daher besonders zur Verwendung als Treibmittel unter Atmosphärendruck, ohne den Wirkungsgrad der Dampfturbinenanlage zu beeinträchtigen.

Darüber hinaus hat die Zuführung des Wrasendampfes zu der Va- kuumpumpeinrichtung weiterhin den entscheidenden Vorteil, dass der Wrasendampf - durch das Prinzip der Flüssigkeitsringpumpe bedingt - auskondensiert. Das üblicherweise bei einer Dampfturbinenanlage vorgesehene Kondensationssystem für den Wrasendampf ist daher nicht notwendig. Dadurch lassen sich Investitionskosten einsparen und zudem ist der notwendige Installationsbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Dampfturbinenanlagen reduziert.

Zweckdienlicherweise ist mit der Dampfleitung eine Gasleitung zur Beimischung von Luft zur Ausbildung eines Dampf-Luft-Gemisches als Treibmittel für die Strahlpumpe verbunden. Dadurch ergibt sich ein besonders effizienter Betrieb für die Strahlpumpe. Insbesondere wird etwa eine gleichmäßige Massenstromverteilung zwischen Luft und Dampf für das Gemisch ein- gestellt. Die Beimischung von Luft hat zudem den Vorteil, dass die notwendige Treibmittelmenge einfach eingestellt werden kann, insbesondere dann, wenn die Menge an Wrasendampf begrenzt ist, so dass diese Dampfmenge alleine als Treibmittel nicht ausreicht.

Zweckdienlicherweise ist die Gasleitung dabei mit ihrem wei- teren Ende mit der Flüssigkeitsringpumpe druckseitig und insbesondere an einem der Flüssigkeitsringpumpe zugeordneten Abscheider angeschlossen. Die von der Flüssigkeitsringpumpe auf atmosphärischen Druck verdichtete Luft wird also als Treibmittel mit hinzugezogen. Dies hat den Vorteil, dass ein se- parater Verdichter für die Zuführung zur Strahlpumpe nicht erforderlich ist.

Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist die Vakuumpumpeinrichtung über eine erste Entlüftungsleitung zur Entlüf- tung eines Kondensators an diesen angeschlossen, der zur Kondensation eines aus einer Dampfturbine, insbesondere aus einem Niederdruckteil einer Dampfturbine austretenden Prozessdampfes vorgesehen ist.

Bevorzugt ist die Vakuumpumpeinrichtung gleichzeitig über eine zweite Entlüftungsleitung an einen zweiten Kondensator angeschlossen, der einer Nebenturbine zugeordnet ist. Es wird also vorzugsweise sowohl der Kondensator der Hauptturbine sowie der der Nebenturbine über die gleiche Vakuumpumpeinrich- tung entlüftet. Damit entfällt die Notwendigkeit von mehreren den einzelnen Kondensatoren zugeordneten Vakuumpumpeinrichtungen.

In der Regel weist der Kondensator für eine Kühlflüssigkeit eine Wasserkammer auf, die zu ihrer Entlüftung bevorzugt über eine dritte Entlüftungsleitung mit der Vakuumpumpeinrichtung verbunden ist.

Es ist also ein einheitliches, zentrales Vakuumpumpsystem in Form der Vakuumpumpeinrichtung vorgesehen, das für eine Vielzahl von Komponenten in der Dampfturbinenanlage ein Vakuum bereitstellt. Dadurch ist der Installationsaufwand und auch ω co tv> M i→ P>

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beispielsweise auch in der Papierindustrie an Papiermaschinen zur Entwässerung einer Siebpartie an. Allgemein ist eine derartige Flüssigkeitsringpumpe für den Einsatz auf dem Gebiet der Papierherstellung geeignet. Durch geeignete Platzierung der Zusatzöffnung zwischen dem Saugstutzen und Druckstutzen und der Wahl des Durchmessers der Zusatzöffnung kann dabei die Saugleistung sowohl im Hinblick auf die Volumenmenge als auch im Hinblick auf den zu erzielenden Unterdruck innerhalb gewisser Grenzen variiert werden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage, bei dem mittels einer Vakuumpumpeinrichtung, die in Serie nacheinander eine Strahlpumpe und eine Flüssigkeitsringpumpe auf- weist, eine Anlagenkomponente entlüftet wird, wobei der

Strahlpumpe ein in der Dampfturbinenanlage anfallender, insbesondere überschüssiger Dampf, als Treibmittel zugeführt wird.

Die im Hinblick auf die Dampfturbinenanlage angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren anzuwenden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

FIG 1 eine schematische ausschnittsweise Darstellung einer Dampfturbinenanlage und FIG 2 eine schematische Schnittansicht durch eine Flüssigkeitsringpumpe .

Eine Dampfturbinenanlage 2 gemäß FIG 1 weist eine Dampfturbine 4 auf, die insbesondere eine Niederdruckstufe einer bei- spielsweise 3-stufigen Hauptturbinenanlage ist. Eine solche mehrstufige Hauptturbinenanlage wird beispielsweise in Kraftwerken zur Energieerzeugung mit einer Leistung im Gigawattbe- co o IV) K3 P> P>

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sammen mit gegebenenfalls aus dem Pumpgemisch anfallenden Kondensat von Luft L in einem Abscheider 38 getrennt. Das Wasser W wird über einen Wärmetauscher 40 der Flüssigkeitsringpumpe 28 wieder zugeführt. Die Luft L wird über eine Gas- leitung 42, in die ein Ventil 44 geschaltet ist, der Strahlpumpe 26 als Treibmittel T zugeführt. Überschüssige Luft L wird aus der Vakuumpumpeinrichtung 14 über eine Abluftleitung 46 an die Umgebung abgegeben.

Wesentlich ist, dass neben der Luft L der Strahlpumpe 26 als Treibmittel T auch ein Dampf D über eine Dampfleitung 48 zugeführt wird. In die Dampfleitung 48 ist ein weiteres Ventil 44 geschalten. Die Dampfleitung 48 ist dabei an einen Sperrdampfkreislauf 50 angeschlossen, in dem ein Sperrdampf S durch eine Anzahl von Turbinendichtungen 52 geführt wird. Die Turbinendichtungen 52 sind dabei der Dampfturbine 4 sowie der Nebenturbine 16 zugeordnet und als Labyrinthdichtungen ausgebildet, um eine rotierende Welle der Turbinen 4,16 gegenüber der Umgebung abzudichten. Nach Durchströmen der Turbinendich- tungen 52 wird der Sperrdampf auch als Wrasendampf bezeichnet. Dieser Dampf D wird der Strahlpumpe 26 als Treibmittel T zugeführt. Das Treibmittel T ist also ein Dampf-Luft-Gemisch, wobei die jeweiligen Anteile des Dampfes D oder der Luft L über die beiden Ventile 44 eingestellt werden können. Vor- zugsweise wird eine Gleichverteilung zwischen Dampf D und Luft L eingestellt. Falls eine ausreichende Dampfmenge zur Verfügung steht, kann als Treibmittel T auch ausschließlich Dampf D verwendet werden. Da der Wrasendampf ein in der Dampfturbinenanlage 2 anfallender überschüssiger Dampf ist, wird der Gesamtwirkungsgrad der Dampfturbinenanlage 2 durch Verwendung des Wrasendampfes als Treibmittel T nicht belastet. Neben der Verwendung des Wrasendampfes bieten sich auch andere in der Dampfturbinenanlage anfallende Dampfarten an. Beispielsweise kommt der im Sperrdampfsystem zur Regelung an- fallende und gewöhnlich in einem der Kondensatoren 8,18 verworfene Dampf in Frage. co co i→

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Flüssigkeitsringpumpe 28 ist auf alle Fälle im Vergleich zu einem separaten Pumpsystem für die Entlüftung der Wasserkammer 22 günstiger.

Eine derartige ausgebildete Dampfturbinenanlage mit einheitlicher, zentraler Vakuumpumpeinrichtung 14 hat im Wesentlichen folgende Vorteile:

1. Aufgrund der Verwendung von Dampf D und Luft L als Treib- mittel T für die Strahlpumpe 26 kann - im Vergleich zu der

Verwendung ausschließlich von Luft L als Treibmittel T - die Flüssigkeitsringpumpe 28 deutlich kleiner ausgelegt werden, da der Dampf D in der Flüssigkeitsringpumpe kondensiert, und nur der Luftanteil auf atmosphärischen Druck verdichtet wer- den muss.

2. Der im Sperrdampfkreislauf 50 anfallende Wrasendampf wird vorzugsweise vollständig über die Vakuumpumpeinrichtung 14 geführt. Hierbei ist es nicht zwingend notwendig, dass die gesamte Menge des Wrasendampfes als Treibmittel T für die Strahlpumpe 26 herangezogen wird. Durch die Zuleitung des Wrasendampfes zur Flüssigkeitsringpumpe 28 mit dem zugeordneten Abscheider 38 wird der Wrasendampf auskondensiert, so dass ein separates Kondensationssystem für den Wrasendampf nicht notwendig ist.

3. Für sämtliche Anlagenkomponenten, die mit einem Vakuumsystem verbunden sein müssen, ist die Vakuumpumpeinrichtung 14 als zentrales Vakuumsystem vorgesehen. Dadurch ist eine ein- fache und kostengünstige Installation ermöglicht. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit der Installation von mehreren dezentralen Vakuumpumpsystemen.

4. Durch den Anschluss der dritten Entlüftungsleitung 24 an der Zusatzöffnung 35 wird eine von der Flüssigkeitsringpumpe 28 quasi „umsonst bereitgestellte Saugleistung ausgenutzt, ohne dass durch den Anschluss dieser dritten Entlüf- tungsleitung 24 die Flüssigkeitsringpumpe 28 größer dimensioniert werden müsste.

Claims

Patentansprüche

1. Dampfturbinenanlage (2) mit einer Vakuumpumpeinrichtung (14) , die in Serie nacheinander angeordnet eine Strahlpumpe (26) und eine Flüssigkeitsringpumpe (28) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit der Strahlpumpe (26) eine Dampfleitung (48) zur Zuführung eines in der Anlage anfallenden Dampfs (D) als Treibmittel (T) für die Strahlpumpe (26) verbunden ist.

2. Anlage (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass die Dampfleitung (48) an einen Sperrdampfkreislauf (50) für eine Turbinendichtung (52) angeschlossen ist.

3. Anlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mit der Dampfleitung (48) eine Gasleitung (42) zur Beimischung von Luft (L) zur Ausbildung eines Dampf-Luft-Gemisches als Treibmittel (T) verbunden ist.

4. Anlage (2) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass die Gasleitung (42) weiterhin mit der Flüssigkeitsringpumpe (28) druckseitig verbunden und ins- besondere an einem der Flüssigkeitsringpumpe (28) zugeordneten Abscheider (38) angeschlossen ist.

5. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vaku- umpumpeinrichtung (28) über eine erste Entlüftungsleitung

(12) zur Entlüftung eines ersten Kondensators (8) an diesen angeschlossen ist, der zur Kondensation eines aus einer Dampfturbine (4), insbesondere aus einem Niederdruckteil einer Dampfturbine (4), austretenden Prozessdampfes (P) vorge- sehen ist.

6. Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vakuumpumpeinrichtung (28) über eine zweite Entlüftungsleitung

(20) an einen zweiten Kondensator (18) angeschlossen ist, der einer Nebenturbine (16) zugeordnet ist.

7. Anlage (2) nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kondensator (8,18) für eine Kühlflüssigkeit eine Wasserkammer (22) aufweist, die zu ihrer Entlüftung über eine dritte Entlüftungsleitung (24) mit der Vakuumpumpeinrichtung (14) verbunden ist.

8. Anlage (2) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass die Flüssigkeitsringpumpe (28) eine Zusatzöffnung (35) aufweist, an die die dritte Entlüftungsleitung (24) angeschlossen ist.

9. Anlage (2) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass die Zusatzöffnung (35) zwischen einem Saugstutzen (30) und einem Druckstutzen (34) im Gehäuse (62) der Flüssigkeitsringpumpe (28) angeordnet ist, und mit einem während des Betriebs sich ausbildenden Arbeitsraum (68) verbunden ist.

10. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage (2), bei dem mittels einer Vakuumpumpeinrichtung (14) , die in Serie nacheinander eine Strahlpumpe (26) und eine Flüssigkeitsringpumpe (28) aufweist, eine Anlagenkomponente (8,18,22) entlüftet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strahlpumpe (26) ein in der Dampfturbinenanlage (2) anfallender Dampf (D) als Treibmittel (T) zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass als Treibmittel (T) ein Sperrdampf (S,D) für eine Turbinendichtung (52) verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Treibmittel (T) ein Dampf-Luft-Gemisch (D,L) verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e nz e i c h n e t, dass für das Gemisch (D,L) in etwa ein gleiches Verhältnis von Dampf (D) und Luft (L) eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Sperrdampf (S,D) in der Vakuumpumpeinrichtung (14) kondensiert wird.

15. Verfahren nach dem einem der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Kondensator (8,18) einer Dampfturbine (4,16) entlüftet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n - z e i c h n e t, dass eine Wasserkammer (22) des Kondensators (8,18) entlüftet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n z e i c h n e t, dass zur Entlüftung der Wasserkammer (22) die hierin anfallende gesättigte Wasserkammer-Luft (WL) über eine Zusatzöffnung (35) in der Flüssigkeitsringpumpe (28) abgesaugt wird.