WO2006103270A1 - Verfahren zum anfahren einer turbinenanlage mit zuschaltbarem nebenstrang - Google Patents

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WO2006103270A1
WO2006103270A1 PCT/EP2006/061182 EP2006061182W WO2006103270A1 WO 2006103270 A1 WO2006103270 A1 WO 2006103270A1 EP 2006061182 W EP2006061182 W EP 2006061182W WO 2006103270 A1 WO2006103270 A1 WO 2006103270A1
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WO
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turbine
generator
line
braking device
secondary line
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Application number
PCT/EP2006/061182
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maurus Herzog
Michael Hiegemann
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/006—Arrangements of brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D13/00—Combinations of two or more machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D19/00—Starting of machines or engines; Regulating, controlling, or safety means in connection therewith
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/10—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor with another turbine driving an output shaft but not driving the compressor

Definitions

  • the invention relates to a method for starting up a turbine system with a switchable secondary line.
  • Modern, used in the power plant network for power generation turbine systems should be able to be approached in the shortest possible time from stand to rated speed, so as to ensure a high operational readiness of the system.
  • turbines which are used to cover a peak load, are particularly subject to this requirement.
  • compressed air storage energy systems (“compressed air energy storage” systems or CAES systems for short) are increasingly being used for such peak load covers.
  • the generators serving for power generation are usually disconnected from the external grid into which the generated power is delivered after synchronization.
  • the generators do not yet generate a sufficient braking load.
  • a braking torque act on the turbine usually only ventilation losses of the turbine and bearing friction losses of the turbine and the generator, which are usually very low in modern systems.
  • the turbine is accelerated even at low throughputs of working fluid to high speeds at which adjust in the rear turbine stages due to the not yet high air mass flow rate ventilation effects.
  • the ventilation caused by the low air mass flow leads to unusual mechanical and thermal loads, in particular of the blades of the turbine.
  • the low air mass flow lead to an astatic behavior of the turbine.
  • WO 03 076 780 it is alternatively proposed to connect a static frequency converter (“SFC”) via a shaft to the generator so as to generate a braking load with the aid of the frequency converter and to impress the shaft.
  • SFC static frequency converter
  • EP 1 289 118 A1 it is proposed in EP 1 289 118 A1 to operate a rectifier exciter machine as an asynchronous generator for starting up a turbo set, by means of which a braking torque can then be generated.
  • Control technology is particularly complex and very time-consuming is the startup and / or shutdown of a turbine system, which with a main line and a switchable secondary line, which may also be a sub-string, from is guided.
  • a main line and a switchable secondary line which may also be a sub-string, from is guided.
  • This is the case, for example, in steam turbines in single-shaft combined plants with a gas turbine and a steam turbine on a shaft train as well as in special heating and / or extraction turbines with turn-off turbine sections or possibly also in single-shaft air turbine systems.
  • the switchable secondary line is usually decoupled from the main line by means of an intermediate coupling. The secondary line must therefore be started and / or shut down separately from the main line. Due to the lack of sufficient braking torque, this is particularly difficult.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned, with which the disadvantages of the prior art can be reduced or avoided.
  • the invention is intended in particular to contribute to the fact that a turbine system used for power generation, which includes a switchable secondary line, can be started up and / or shut down in a short time, wherein the formation of ventilation in the secondary line should also be largely avoided.
  • the invention provides an additional degree of freedom for the design of a turbine system with connectable secondary line in particular with regard to transient operating states of the system, such as startup or shutdown of the system.
  • the turbine system includes a main train having at least a first turbine and a generator drivingly connected to the first turbine. Furthermore, the turbine system comprises a secondary line, which can be coupled to the main line, preferably via a coupling. The secondary line comprises at least a second turbine. The secondary line can also be an otherwise trained, can be coupled to the main strand sub-strand of the turbine system. Frequently, the turbine system is designed as a single-shaft system, wherein the shaft of the single-shaft system is divided into two mutually coupled partial waves. The first partial wave is then part of the main line, the second partial wave part of the secondary line. Furthermore, the turbine system comprises a first braking device with which a braking torque can be applied to the secondary line in the decoupled state of the secondary line.
  • the secondary line In the decoupled state, for example when starting or shutting down the turbine system, the secondary line is not coupled to the main line. In particular, no braking torque can thus be impressed on the secondary line via the main line in the decoupled state. This also makes it possible to carry out the process of starting and / or shutting down the secondary line independently and thus separately from the main line.
  • the first braking device is assigned to the secondary line. The first brake device accordingly acts directly on the secondary line.
  • the secondary line of the turbine system designed according to the invention can be started and / or shut down independently of the main line within a considerably shortened period of time.
  • the turbine installation can be designed as a steam turbine installation, as a combined gas and steam turbine installation, as a turbine installation of a CAES installation or as a turbine installation of another turbine group.
  • the first turbine is designed as an air turbine and the second turbine as a gas turbine, which is the air turbine via a clutch connectable executed.
  • the air turbine is usually rotatably connected to a generator, so that the air turbine is slowed down when starting from the generator.
  • the gas turbine according to the invention is assigned a first braking device.
  • the turbines can thus be started up individually and independently of each other, which considerably reduces the total time required to start the CAES system. Also, that can be in the turbines during the Starting process Fluid and material temperatures must be taken into account individually for each turbine in the start-up control.
  • the first turbine is a gas turbine and the second turbine is a steam turbine that can be connected to the main line.
  • Such an arrangement is also often found in combined cycle power plants.
  • the invention can also be applied advantageously to steam turbine plants with switchable sub-turbines, in particular to low-pressure turbines in steam turbine plants with large vapor withdrawals.
  • the first braking device is designed so that it is operatively connected to the secondary line and particularly suitable decoupled again.
  • the active compound can be produced during operation of the system and expediently also solve or decouple.
  • the first braking device then does not have to be mechanically permanently connected to the secondary line, but it is possible to design the braking device such that it is connected as required and is disconnected from the secondary line again, for example, after the auxiliary line has been raised.
  • operative connection means that a significant braking torque is transmitted to the relevant turbine by means of the operative connection during operation of the braking device.
  • a mere mechanical connection between the braking device and the turbine thus does not constitute an active connection, but in most cases will only form the necessary prerequisite for an operative connection.
  • For an operative connection is then in addition to the mechanical Connection nor the transmission of a significant braking torque to the turbine during operation of the braking device required.
  • the braking torque must be approximately in the order of magnitude of the braking torque required to decelerate the turbine. Braking torques that are based solely on bearing friction, for example, do not fall under this.
  • the first brake device is appropriate rotatably operatively connected to the shaft of the secondary line.
  • a switchable mechanical coupling between the first brake device and the shaft of the secondary line can be provided, by means of which a non-rotatable mechanical connection between the first brake device and the shaft of the secondary line can be produced.
  • the first braking device during operation of the braking device is selectively operatively connected to the secondary line or to the main line.
  • the first brake device has an input shaft, which can be connected to either the secondary line or the main line by means of two separate clutches.
  • the first braking device can also have two input shafts, of which the first input shaft is connected to the main line via a first coupling and the second input shaft is connected to the first input shaft. Ie can be coupled via a second clutch with the secondary line of the turbine system.
  • a logic for example a controller, controls that, during operation of the braking device, a coupling of the first braking device takes place at one time only with one strand.
  • the advantage of a first braking device configured in this way is that only one braking device is required in order to be able to approach or also shut down both the main line and the secondary line in a manner controlled by the brake torque.
  • the two strands must be approached and / or shut down one after the other.
  • the main line and then the secondary line is approached to start the turbine system first.
  • the process of shutting down the turbine system is suitably reversed.
  • the at least two turbines i. of the turbine in the main line as well as the turbine in the secondary line, switch on brake loads.
  • the connection of the brake loads takes place but here in succession.
  • the first brake device is simultaneously operatively connected both to the secondary line and to the main line of the turbine system.
  • the first brake device has two input shafts, of which the first input shaft can be coupled to the main train via a first clutch and the second input shaft can be coupled to the secondary train of the turbine system via a second clutch.
  • the at least two turbines i. the turbine in the main line and the turbine in the secondary line, at the same time apply brake loads.
  • a means for changing the distribution of the braking load of the first brake device on the secondary line and / or on the main line can be, for example, a hydrodynamic or hydrostatic converter.
  • each strand is assigned a hydrodynamic or hydrostatic converter.
  • the amount of the individual braking torque applied to the respective strand can be changed and adjusted via the total braking torque generated by the first braking device and the distribution of the total braking torque to the individual braking torques with the aid of the means for changing the distribution of the braking load.
  • first brake device may also be advantageous to mechanically connect the first brake device to the shaft of the secondary line. This eliminates the arrangement of a coupling between the secondary line and the first brake device.
  • first braking device can then not be separated from the secondary line in the raised state, but then runs along.
  • the active compound is separable according to the invention in the raised state.
  • the first brake device comprises a fluid brake, which operates on the basis of a turbulence of a brake fluid.
  • Fluid brakes are largely free of wear and can also be used to generate large braking torques.
  • a suitable heat dissipation of the dissipated braking power must be ensured, for example via one or more oil coolers that are already present in the turbine system.
  • the braking effect can either be at a constant intake volume of the fluid brake via the amount of fluid in the fluid brake or be changed at a constant amount of fluid via a change in the receiving volume of the fluid brake.
  • the first braking device comprises an electric brake.
  • Electric brakes generate an eddy current that can be influenced by an auxiliary device from the outside, which usually acts on a disk arranged on the shaft.
  • an electric brake but also a small electric generator can be used, the power is converted, for example via resistors into heat or supplied by means of a frequency converter productive use.
  • Electric brakes are largely wear-free and can also be used to generate large braking torques. Here, too, provide for a suitable heat dissipation. Disadvantages of electric brakes are the high investment costs.
  • the first brake device comprises a mechanical brake.
  • mechanical brakes are only suitable for smaller and medium-sized systems and are only suitable for very large systems if they are restricted.
  • the turbine system expediently additionally a second
  • Include braking device which is operatively connected to the main line even in the decoupled state of the secondary line, so as to be able to apply a braking torque to the main strand can.
  • the arrangement of a second braking device is particularly advantageous if the inventively arranged first braking device is not connectable to the main line or if the braking torque generated by means of the first braking device for the main line are not sufficient.
  • the second brake device can be connected in a rotationally fixed manner to the shaft of the main train or can also be connected in a rotationally fixed or slip-proof manner.
  • the first brake The device is thus assigned to the secondary line, the second braking device to the main line.
  • a turbine system in addition to an inventively designed generator system with an adjustable bypass to pass a portion of a working fluid to a turbine or turbine part of the main strand or the secondary strand can.
  • a first braking device By combining the arrangement according to the invention of a first braking device with an adjustable bypass, two controlled variables are available as degrees of freedom for the regulation of the starting process of the secondary line of the turbine system.
  • the bypass can be made smaller in a combined arrangement of a first brake device and a bypass and thus cheaper in the investment, as would be the case without the first brake device.
  • a shortening of the starting time can be achieved by a combination of bypass and braking device.
  • the first and / or the second brake device is expediently designed as an electric brake.
  • the electric brake advantageously comprises a generator circuit for connecting a generator, which is drive-connected to the turbine or the turbine part of the respective strand.
  • the generator is expediently designed as a synchronous generator, wherein the invention also includes braking devices, in which the generator is designed as an asynchronous generator. Synchronous speeds can be adjusted both with synchronous generators and with asynchronous generators. In the case of a synchronous generator, however, these synchronous speeds can be adjusted more easily, so that the requirements for the control when using a
  • Synchronous generator compared to an asynchronous generator are lower.
  • the generator comprises in a known manner a stator and a rotor.
  • the generator circuit comprises an exciter circuit, via which the stator and the rotor are connected to each other.
  • an electric power is tapped off from the stator and fed to the rotor via the excitation circuit.
  • at least one further electrical load is arranged, which can be connected to the excitation circuit to increase the braking load of the generator.
  • the at least one further electrical load is arranged in parallel to the excitation circuit and is thus connected in parallel circuit to the excitation circuit.
  • the exciter circuit expediently comprises an excitation transformer having a primary side and a secondary side, and a rectifier having an anode side and a cathode side.
  • the exciter transformer is then connected on the primary side to the stator of the generator and on the secondary side to the anode of the rectifier.
  • the cathode of the rectifier is connected to the rotor of the generator.
  • the excitation circuit thus represents a closed circuit together with the stator of the generator and the rotor of the generator.
  • the electrical load can then, for example, in the area between the stator of the generator and the primary side of the exciter transformer in the Exciter circuit be arranged switchable.
  • the electrical load may also be switchable into the region between the secondary side of the excitation transformer and the anode of the rectifier or into the region between the cathode of the rectifier and the rotor of the generator.
  • Generatorbesciens is the at least one further electrical load a load resistor.
  • a switching element is arranged between the at least one further electrical consumer and the exciter circuit, by means of which the at least one further electrical consumer can be connected to the excitation circuit.
  • the switching element can be designed as a mechanical switch or alternatively as a semiconductor device.
  • a plurality of further electrical consumers can also be expediently arranged, which are then separately connectable to the exciter circuit. If a plurality of electrical consumers are arranged, these can be arranged so that the electrical consumers can all be connected to a region of the exciter circuit, for example the region between the secondary side of the exciter transformer and the anode of the rectifier, or even different regions of the exciter circuit. Of course, several switchable arranged electrical consumers can be switched on at the same time the exciter circuit in the operation of the turbine system.
  • the first brake device and / or the second brake device comprises a generator system with a generator which is drive-connected to generate electricity with a turbine, a transformer having the generator on the primary side and an external power supply system on the secondary side and / or or an internal power grid is connected, and a means for frequency matching, which is arranged between the generator and the transformer.
  • the means for frequency adaptation between the generator and the transformer By arranging the means for frequency adaptation between the generator and the transformer, it is possible, regardless of the operating state of the turbine system - thus deliver power into the connected power grid - and thus during startup and / or shutdown of the turbine system.
  • the generator By the delivery of the electricity generated in the power grid during startup and / or shutdown of the turbine plant, the generator generates a significantly higher braking torque, as is the case when disconnecting the generator from the transformer.
  • a higher braking torque means that the increase in load of the turbine system during startup can be made more uniform.
  • a now permissible, increased flow rate of working fluid simultaneously reduces the formation of ventilation in rear turbine stages or downstream turbines.
  • a frequency converter in particular a static frequency converter
  • the means for frequency adjustment in a preferred embodiment of the invention can be added.
  • the generator and the transformer are connected to one another via a connecting line.
  • the means for frequency adaptation is then expediently arranged so that it can be switched into the connection line.
  • a first separating element is expediently arranged in the connecting line.
  • the means for frequency matching can then advantageously be arranged in a bypass line which bypasses the first separating element, wherein a second separating element is also arranged in the bypass line.
  • the separating elements are designed as disconnectors.
  • FIG. 1a shows a CAES system known from the prior art
  • Figure 1 b a known from the prior art steam power plant;
  • Figure 1c a known from the prior art combined gas and
  • FIG. 2 shows a first turbine system designed according to the invention
  • FIG. 3 shows a second turbine system designed according to the invention
  • FIG. 4 shows a third turbine system designed according to the invention
  • FIG. 5 shows a fourth turbine system designed according to the invention
  • FIG. 6 shows a generator circuit for use in a turbine system designed according to the invention
  • FIG. 7a shows a generator system with supply of an external network for use in a turbine system designed according to the invention
  • FIG. 7b shows a generator system with supply of an internal network for use in a turbine system designed according to the invention.
  • the CAES system 1 comprises a gas storage 10, in which a gas, for example air, can be stored under pressure. Furthermore, the CAES installation 1 comprises a turbo group, which in the embodiment shown in FIG. 1 a comprises a first air turbine 1 1 and a low-pressure turbine 13 connected downstream of the air turbine. Gas storage 10, air turbine 11 and low-pressure turbine 13 are connected via connecting lines 16 and 17 with each other. In the connecting line 16, a shut-off valve 20 for throttling or blocking the flow from the gas storage 10 is arranged. The low-pressure turbine 13 is followed by the lines 18 and 19.
  • a heat exchanger 15 is further interposed in the line 16.
  • the air coming from the gas reservoir 10 is preheated by the fuel gas-air mixture emerging from the low-pressure turbine 13.
  • a combustion chamber 12 for heating the air emerging from the air turbine 11 is further arranged before the thus heated and expanded fuel gas-air mixture enters the low-pressure turbine 13.
  • the combustion chamber 12 is for this purpose via the fuel supply line 21 with fuel, for example a
  • the air turbine 11 and the low-pressure turbine 13 are connected via a common shaft to a generator 30, the shaft here in two sub-waves 25 ⁇ and 25 M is divided, which can be connected to each other via a coupling 26.
  • the turbine 11, the partial shaft 25 ⁇ and the generator 30 here form the main strand of the turbine system; the turbine 11 and the partial shaft 25 M, the secondary line of the turbine system.
  • the power generating generator 30 is connected to a primary side of a power transformer 32 via a power line 34, in which a breaker switch 33 is interposed.
  • a power line 34 in which a breaker switch 33 is interposed.
  • On the secondary side of the power transformer 32 is connected to an external power grid 35.
  • the partial waves are 25 ⁇ and 25 M decoupled from each other, so that each strand can be approached independently of the other strand. Only when the turbines are each raised to nominal speed, the strands are coupled via the coupling 26 with each other.
  • FIG. 1 b shows a steam power plant 40, which comprises a first steam turbine 41 1 , a second steam turbine 41 n, and a generator 43.
  • the first steam turbine 41 1 is permanently rotatably connected to the generator 43 via the shaft 45.
  • the second steam turbine 41 n is above the partial waves 46
  • the second steam turbine 41 ii is decoupled from the generator 43 by means of the coupling 44. Accordingly, almost no braking load acts on the second steam turbine.
  • the second steam turbine would already turn up by a low steam mass flow to an unacceptably high speed.
  • the combined cycle power plant 4On comprises a gas turbine 42
  • FIGS. 2 to 5 each show a schematic representation of turbine systems designed according to the invention.
  • inflow and outflow lines to and from the turbines, shut-off and control elements for regulating the flow as well as any existing combustion chambers and reheater are not shown.
  • FIG. 2 shows a turbine system 50 designed according to the invention with a first brake device 57 assigned to the secondary line 5ON Braking device 57 can also be controlled a secondary braking torque to the secondary line 5ON of the turbine system 50 when the secondary line 5ON is decoupled from the main line 5OH.
  • the turbine system 50 includes a first turbine 51 and a second turbine 52, wherein the first turbine 51 may be formed, for example, as a gas turbine and the second turbine 52 as a steam turbine. However, both turbines can also be designed as steam turbines or as gas or air turbines.
  • the turbine 51 is fixedly connected to the partial shaft 54, the turbine 52 to the PT shaft 55.
  • the partial shafts 54 and 55 in turn can be coupled to one another via the coupling 56 arranged between the partial shafts.
  • Fixedly connected to the partial shaft 54 is a generator 53, which is also driven by the turbine 52 for generating electricity from the turbine 51 and when coupled to each other part shafts 54 and 55.
  • the turbine 51 together with the generator 53 and the partial shaft 54 here form the main line 5OH of the turbine system 50.
  • the turbine 52 and the partial shaft 55 form the secondary line 5ON of the turbine system 50.
  • the first braking device 57 is fixedly connected to a further sub-shaft 58, the further sub-shaft 58 being connected to the sub-shaft 55 of the sub-line 5ON via a coupling 59 rotatably or with slip is connectable.
  • a brake load can be transmitted from the first brake device 57 to the turbine 52 via the partial shafts 58 and 55.
  • the clutch 59 will also be dispensable. This is especially true for the cases in which the braking effect of the first brake device 57 is largely completely switched off, such as in the case of an electric brake. In the de-energized state of the electric brake 57 only negligible bearing losses are generated so that the electric brake 57 in the Normal operation can remain connected to the secondary line 5ON of the turbine system 50.
  • the first brake device 57 can be designed as a fluid brake or as an electric brake or as a mechanical brake or as a combination thereof with the respective specific advantages.
  • the secondary line 5ON is usually decoupled from the main line 5OH by means of the coupling 56 in order to approach the main line and the secondary line separately of one another. Only when the rated speed is reached are the strands 5OH and 5ON coupled again via the coupling 56.
  • the problem arises here that in the decoupled state when the system 50 starts up in particular virtually no or only a very small braking torque would act on the turbine 52.
  • the turbine 52 would thus already be accelerated by a low mass flow of the working fluid to impermissibly high speeds.
  • the arrangement of the first brake device 57, the turbine 52 during startup and / or shutdown a independent of the main strand 50 H braking torque can be switched. On the one hand is the start and / or the
  • both the main line 5OH and the secondary line 5ON have risen to the rated speed, the lines are connected to one another via the coupling 56. coupled. Subsequently, the first brake device 57 is decoupled via the clutch 59 from the secondary line 50 N. The first braking device 57 is thus not carried along in the run-up state of the turbine system 50. For shutting down the turbine installation 50, the first braking device 57 can be coupled again to the secondary line 50 N before the secondary line 5ON is decoupled from the main line 5OH.
  • a braking device comprising a generator and a frequency converter
  • the frequency converter to the otherwise empty-running generator or auxiliary generator only electrically foundedchu or electrically separate from this.
  • a braking device designed as a hydrodynamic converter can only be filled with oil or the oil can be removed again in order to ensure optimal normal operation. Frequency converter and hydrodynamic converter can thus remain permanently mechanically connected to the secondary line, even if no operative connection is to be generated.
  • FIG. 3 shows a second turbine system 60 designed according to the invention.
  • the turbine system 60 includes a first turbine 61 and a second turbine 62.
  • the first turbine may be, for example, a gas turbine and the second turbine may be a steam turbine. However, both turbines can also be designed as steam turbines or as gas or air turbines.
  • the turbine 61 is fixedly connected to the partial shaft 64, the turbine 62 to the partial shaft 65.
  • the TeN- waves 64 and 65 are coupled to each other via the arranged between the partial shafts clutch 66.
  • Firmly connected to the partial shaft 64 is a generator 63, which is also driven by the turbine 62 for generating electricity from the turbine 61 and when coupled to partial shafts 64 and 65.
  • the turbine 61 together with the generator 63 and the partial shaft 64 here, forms the main branch 6OH of the turbine system 60.
  • the turbine 62 and the partial shaft 65 form the secondary line 6ON of the turbine system 60.
  • a first braking device embodied as a synchronous or asynchronous generator 67 is non-rotatably connected to the partial shaft 65 here.
  • an operative connection between the generator 67 designed as the first braking device and the turbine 62 is present only when the generator 67 is energized, since the generator 67 does not generate a braking load until it is energized. In the de-energized state only negligible losses, for example. Due to the bearing friction caused by the generator.
  • the operation of the turbine system 60 is analogous to the comments on Figure 2. However, here designed as a first braking device generator 67 can not be decoupled from the partial shaft 65 in the high-powered operation of the turbine system 60.
  • FIG. 4 shows a third turbine installation 70 designed according to the invention.
  • the turbine installation 70 shown here again comprises a main branch 7OH and a secondary branch 7ON.
  • the main line 7OH comprises a first turbine 71 and a generator 73.
  • First turbine 71 and generator 73 are permanently connected to one another in a rotationally fixed manner via the shaft 74.
  • the secondary line 7ON comprises a second turbine 72, which is connected to the partial wave 75
  • can be connected by means of the coupling 79 with the part shaft 75n.
  • the partial shaft 75n can be connected to the shaft 74 by means of the coupling 76.
  • the second turbine 72 can thus also be connected to the generator 73.
  • the first turbine may be a gas turbine and the second turbine may be a steam turbine.
  • both turbines can also be designed as steam turbines or as gas or air turbines.
  • a first braking device designed as a generator 77 is arranged on the partial shaft 7511.
  • the generator 77 may be designed as a synchronous generator or as an asynchronous generator.
  • the coupling 76 the braking device can be coupled to the main line 7OH, by means of the coupling 79 with the main line 7ON.
  • the generator 77 In order to establish an operative connection between the generator 77 with one of the turbines or with both turbines, in addition to the engagement of the respective clutch, the generator 77 must also be energized. An operative connection occurs here accordingly only in the operation of the generator 77, i. in the energized state of the generator 77, on.
  • the starting up of the turbine installation 70 shown in FIG. 4 can take place according to two modes of operation.
  • the braking device 77 can optionally be operatively connected either to the secondary line 7ON or to the main line 7OH.
  • the main line 7OH and the secondary line 7ON can only be operatively connected to the braking device 77 chronologically one after the other when starting and / or shutting down the system.
  • the other strand is to decouple during the starting process via the respective coupling of the braking device 77.
  • Which operating mode is used depends on the maximum available braking load of the generator 77 and the braking torques required for the turbines 71 and 72. Enough the maximum available Braking load not to brake both turbines during start-up sufficiently, so the turbine system 70 must be started according to the first mode, ie, the turbines are started in succession. For this purpose, the clutches and the generator 77 are actuated by a control device (not shown in FIG. 4).
  • the turbine 71 can be approached, wherein the turbine 71 is impressed by the generator 77, a braking torque.
  • the clutch 76 is hereby one and the clutch 79 disengaged.
  • the generator outputs power to an external network (not shown in FIG. 4) or to an internal intrinsic demand network (likewise not shown in FIG. 4) and thus exerts a notable braking torque on the shaft 74.
  • the braking load generated by the generator 77 is now no longer needed, and the clutch 76 is disengaged.
  • the clutch 76 Upon engagement of the clutch 79, the braking load generated by the generator 77 acts exclusively on the turbine 72. After the turbine 72 reaches synchronous speed, the clutch 76 is engaged.
  • a braking load generated by the generator 77 is no longer needed in the following.
  • the excitation line is accordingly turned off, i. the energization of the generator 77 finished.
  • the de-energized state of the generator 77 generates only very small losses, which are due essentially only to the storage of the generator 77.
  • the generator 77 remains in mechanical communication with the partial shaft 75n. However, there is no more active connection between the generator 77 and one of the turbines.
  • both clutches 76 and 79 are engaged and the generator 77 is energized.
  • at least one means for varying the distribution of the braking load is expediently arranged between the generator 77 and the turbine 71 and / or between the generator 77 and the turbine 72.
  • these funds are expediently integrated into the couplings 76 and 79.
  • the clutches are therefore designed here as hydrodynamic or hydrostatic clutches in which the power transmission via the oil filling is changeable.
  • the division of the brake load can also be done by a truncation of the system via bypasses.
  • FIG. 5 shows a further turbine system 80 designed according to the invention, which is designed substantially similar to the turbine system 50 shown in FIG.
  • the turbine system 80 comprises a first turbine 81 and a second turbine 82.
  • the turbine 81 is connected to the partial shaft 84, the turbine 82 to the partial shaft 85.
  • the partial shafts 84 and 85 can be coupled to one another via the coupling 86 arranged between the partial shafts.
  • the generator 83 is fixedly connected to the partial shaft 84.
  • Turbine 81, generator 83 and partial shaft 84 together form the main line 8OH of the turbine system 80, turbine 82 and partial shaft 85 the secondary line 8ON.
  • a first brake device 871 is fixedly connected to a first further partial shaft 881, wherein the first further partial shaft 881 is rotatably or slip-connectable, as in FIG. 2, via a first further clutch 891 to the partial shaft 85 of the secondary strand 8ON.
  • a second braking device 8711 is additionally arranged here, which is firmly connected to a second further partial shaft 8811.
  • the second further partial shaft 8811 in turn is non-rotatable via a second further coupling 8911 with the partial shaft 84 of the main strand 8OH or can be connected with slip.
  • the first brake device 881 and the second brake device 8811 can be designed as fluid brakes or as electric brakes or as mechanical brakes or as combinations thereof with the respective specific advantages.
  • a brake load is thus applied to the main line 8OH as well as to the secondary line 8ON by means of the respectively associated braking device 871 or 8711.
  • Main and secondary line can thus be approached decoupled from each other and the coupled only after reaching the rated speed in the raised state via the clutch 86.
  • the first brake device 871 is decoupled via the clutch 891 from the secondary line 8ON.
  • the second brake device 8711 is decoupled from the main branch 8OH via the coupling 8911.
  • FIG. 6 shows a generator circuit for connecting a generator, which can be operated as first brake device and / or as second brake device or as part of such.
  • the generator circuit of the generator 130 comprises an exciter circuit 150, which is expanded here in such a way that at least one of the two further electrical consumers 1601 or 16011 can be connected to the excitation circuit 150 as required.
  • the generator 130 conventionally includes a rotor 130L and a stator 130S.
  • the rotor 130L designed as an internal rotor is arranged concentrically with the stator 130S and can be connected or connectable in a rotationally fixed manner to one or more turbines (for example the turbine 52 from FIG. 2) via at least one shaft (for example the partial shafts 55 and 58 from FIG. 2).
  • the rotor 130L is supplied with electrical power via the excitation circuit 150 according to the principle of external excitation.
  • the exciter circuit 150 comprises an excitation transformer 151 having a primary side 151 P and a secondary side 151 S and a rectifier 152 having an anode side 152A and a cathode side 152K.
  • the rectifier 152 is controlled via the control unit 153.
  • the excitation transformer 151 is connected via the conductor 154 to the stator 130s of the generator 130 and on the secondary side via the conductor 155 to the anode 152A of the rectifier 152.
  • the cathode 152 "of the rectifier 152 in turn is connected via the conductor 156 to the rotor 13 OL of the generator 130.
  • the power delivered by the stator 130S is transformed to an excitation voltage level via the exciter transformer 151, rectified by the rectifier 152, and then impressed on the rotor 130L.
  • the current-carrying windings of the rotor 130L form a magnetic field which, in conjunction with the rotational movement of the rotor 130L, in turn leads to an induction and a current flow in the stator 130S.
  • the current generated in this way is supplied as electrical power via the line 134 to a network transformer and fed from here into an external network.
  • a breaker switch 134-U is interposed in the line 134 in front of or behind the power transformer.
  • the power transformer external network and other switching elements are not shown in Figure 6.
  • the breaker switch 134-U In the non-synchronized state, the breaker switch 134-U is opened, so that the current does not drain via the line 134.
  • the excitation circuit 150 represents a consumer for the generated current, but with only a slight consumption.
  • the consumption of electrical power within the exciter circuit 150 is increased.
  • the rotor 130L experiences a higher rotational resistance torque, which is transmitted to the turbine as a braking torque or as a braking power.
  • the further electrical loads designed here as load resistors 1601 and 16011 are arranged in parallel to the exciter circuit 150 and can each be connected via a switch to the exciter circuit 150 and again separated from this.
  • the electrical consumers 1601 and 16011 can be connected to the exciter circuit in a region between the secondary side 151 S of the excitation transformer 151 and the anode 152 A of the rectifier 152. Alternatively or additionally, however, the electrical consumers can also be connectable to other regions of the exciter circuit 150. This is reflected by the electrical consumers 160-X and 160-Y shown in dashed lines in FIG.
  • FIGS. 7a and 7b show generator systems which can be used as the first brake device and / or as the second brake device or as part of such.
  • the generator system G shown in FIG. 7 a comprises a generator, in this case a synchronous or asynchronous generator 230, which is drive-connected to a turbine (for example the turbine 52 from FIG. 2).
  • a turbine for example the turbine 52 from FIG. 2.
  • the generator with the turbine via a shaft rotatably connected or connected.
  • the generator system comprises a transformer 232, which is connected on the primary side via the connecting line 234 to the generator 230 and on the secondary side to an external power network 235.
  • a means for frequency adjustment is arranged switchable.
  • the means for frequency adjustment here is a static frequency converter 240, which is connected in a bypass line 241.
  • the bypass line 241 branches off of a first, arranged in the connecting line 234 disconnect switch 233 from the connecting line 234 and flows behind the first disconnector 233 back into the connecting line 234.
  • a second circuit breaker 242 is arranged in the bypass line 241.
  • the first disconnect switch 233 arranged in the connection line 234 is open.
  • the direct connection between the generator 230 and the transformer 232 via the connecting line 234 is interrupted.
  • the second circuit breaker 242 disposed in the bypass line 241 is closed, whereby a connection from the generator 230 to the transformer 232 via the bypass line 241 and the static frequency converter 240 is connected.
  • the static frequency converter 240 is operated so that the power generated by the generator 230 is frequency matched to the external power grid 235.
  • the static frequency converter 240 is switched off again.
  • the second disconnect switch 242 is opened.
  • the first disconnect switch 233 may be closed so that a connection between the generator 230 and the transformer 232 is established via the connection line 234.
  • the static frequency converter 240 is switched off when falling below a limit speed below which the output of the generated electricity in the external power grid for technical control and / or economic reasons is not of interest.
  • the braking torque generated by the generator 230 and transmitted to the turbine via the shaft is significantly increased ,
  • the increase in the braking torque here is largely proportional to the amount of electricity delivered.
  • the current generated by the generator 230 is not output to an external power grid (235 in FIG. 7a) but to an internal power grid 236.
  • the static frequency converter 240 is arranged in a connectable branch line 243.
  • the switchable branch line 243 branches off between the generator 230 and the first circuit breaker 233 from the connecting line 234 and opens into the internal power grid 236.
  • the internal power network 36 is used to power the generator system G or the entire turbine system.
  • a second circuit breaker 242 is arranged in the branch line 243.
  • a transformer 244 is arranged here in the branching line 243 in the current flow direction behind the static frequency converter 240, which transforms the frequency-converted current to a voltage level corresponding to the internal power network 236.
  • the operation of the generator system G shown in FIG. 7b corresponds to the explanations regarding FIG. 7a.
  • the power generated during startup and / or shutdown of the turbine system can be fed into the internal power supply here before the turbine operation is synchronized. This leads to an improved overall profitability of the plant.

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Abstract

Es wird eine Turbinenanlage (50) mit einem Hauptstrang (50H) und einem Nebenstrang (50N) vorgestellt. Der Hauptstrang (50H) umfasst wenigstens eine erste Turbine (51) und einen Generator (53), der mit der ersten Turbine (51) antriebsverbunden ist. Der Nebenstrang (50N) umfasst wenigstens eine zweite Tur bine (52) und ist über eine Kupplung mit dem Hauptstrang (50H) koppelbar. Ferner umfasst die Turbinenanlage (50) eine erste Bremseinrichtung (57), mit der im vom Hauptstrang (50H) entkoppelten Zustand des Nebenstrangs (50N) ein Bremsmoment auf den Nebenstrang (50N) während des entkoppelten Aufahrens von Haupt und Nebenstrand aufbringbar ist.

Description

VERFAHREN ZUM ANFAHREN EINER TURBINENANLAGE MIT ZUSCHALTBAREM NEBENSTRANG
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Turbinenanlage mit zu- schaltbarem Nebenstrang.
Stand der Technik
Moderne, im Kraftwerksverbund zur Stromerzeugung eingesetzte Turbinenanlagen sollen in möglichst kurzer Zeit aus dem Stand auf Nenndrehzahl angefahren werden können, um so eine hohe Betriebsbereitschaft der Anlage zu gewährleisten. Insbesondere Turbinenanlagen, die zur Abdeckung einer Spitzenlast eingesetzt werden, unterliegen in besonderem Maße dieser Anforderung. Für derartige Spitzenlastabdeckungen werden in jüngerer Zeit neben herkömmlichen Dampfturbinenanlagen oder kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen auch zuneh- mend Druckluftspeicherenergieanlagen ("Compressed-Air-Energy-Storage"-Sys- teme oder kurz: CAES-Systeme) genutzt.
Während des Anfahrens der Turbinenanlage und vor einer Synchronisierung sind die zur Stromerzeugung dienenden Generatoren üblicherweise von dem externen Netz, in das der erzeugte Strom nach der Synchronisierung abgegeben wird, abgekoppelt. In diesem Betriebszustand erzeugen die Generatoren noch keine hinreichende Bremslast. Als Bremsmoment wirken in der Regel auf die Turbine lediglich Ventilationsverluste der Turbine und Lagerreibungsverluste der Turbine sowie des Generators, die bei modernen Anlagen zumeist sehr gering sind. Hierdurch wird die Turbine bereits bei geringen Durchsätzen an Arbeitsmittel auf hohe Drehzahlen beschleunigt, bei denen sich in den hinteren Turbinenstufen aufgrund des noch nicht ausreichend hohen Luftmassendurchsatzes Ventilationseffekte einstellen. Die durch den geringen Luftmassenstrom hervorgerufene Ventilation führt zu unüblichen mechanischen und thermischen Belastungen insbesondere der Schaufeln der Turbine. Auch kann, wie in der internationalen Patentanmelde- schrift WO 03 076 780 beschrieben, der geringe Luftmassenstrom zu einem astatischen Verhalten der Turbine führen.
Ebenso entfällt auch beim Herunterfahren dieser Anlagen unmittelbar nach dem Entkoppeln des Generators von dem externen Stromnetz in der Regel eine hinrei- chende Bremslast.
Diese Problemstellung einer fehlenden Bremslast während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens ergibt sich sowohl bei herkömmlichen Gasturbinenanlagen, bei Kombikraftwerksanlagen, bei CAES-Anlagen sowie auch bei weite- ren, zur Stromerzeugung genutzten Turbogruppen, bei denen der mit der Turbine verbundene Generator während des Anfahrvorgangs und/oder des Herunterfahrens von dem Netz, in das der erzeugte Strom eingespeist wird, abgekoppelt wird. Ebenso gilt dies auch für abschaltbare Teilturbinen, die unabhängig von der Hauptturbine bei Bedarf angefahren oder heruntergefahren werden müssen. Bei Dampfturbinen müssen insbesondere während des Anfahrvorgangs zusätzlich die Anforderungen seitens des Dampferzeugers berücksichtigt werden. Bei Luftturbinen können der Turbine ein oder mehrere Rekuperatoren oder Brennkammern vorgeschaltet sein, die dann zu weiteren Restriktionen im Betrieb führen.
Entsprechend muss auch beim Hochfahren einer Turbinenanlage oftmals in besonderem Maße darauf geachtet werden, dass die im Beschaufelungskanal angeordneten oder an den Beschaufelungskanal angrenzenden Bauteile in kontrollierter und aufeinander abgestimmter Weise auf Betriebstemperatur gebracht werden. Dies ist erforderlich, um unerwünschte Wärmedehnungen und unzulässige Wärmespannungen der Bauteile als Folge der Temperaturänderung infolge der Beströmung des Beschaufelungskanals zu vermeiden. Daher sollte bereits vor dem Synchronisieren ein möglichst großer Mengenstrom an Dampf bzw. Luft durch den gesamten Beschaufelungskanal des jeweiligen Strangs geleitet werden können. Beispielsweise wird hierzu in der DE 101 16 387 A1 vorgeschlagen, die Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage vor dem eigentlichen Anfahrvorgang vorzuwärmen. Der Anfahrvorgang kann hierdurch beschleunigt erfolgen. Hierfür ist es erforderlich, Dampf vor dem eigentlichen Anfahrvorgang in geeigneter weise dem Dampferzeuger zu entnehmen und der Dampfturbine zuzuführen. Da die Erzeugung von Dampf aus wirtschaftlicher Sicht aber möglichst erst zeitgleich mit dem Anfahren der Dampfturbinenanlage gestartet werden soll, ist das Potential dieses Verfahrens zur Beschleunigung des Anfahrvorgangs einer Dampfturbinenanlage begrenzt.
In der DD 1566 18 wird zur Vorwärmung des Turbosatzes eines Kraftwerksblocks mit Dampferzeuger während des Startens des Dampferzeugers Fremddampf genutzt. Auch wenn die Menge an erforderlichem Fremddampf aufgrund des niedrigen Bremsmoments des Turbosatzes im nicht synchronisierten Zustand noch ver- hältnismäßig gering ist, muss dieser Fremddampf über eine externe Bereitstellung, beispielsweise einen weiteren Dampferzeuger oder eine Zuleitung aus einem anderen Prozess, bereitgestellt werden. Dies ist in der Regel sehr aufwändig.
In der WO 03 076 780 wird alternativ vorgeschlagen, einen statischen Frequenzumrichter („static frequency Converter" = SFC) über eine Welle mit dem Generator zu verbinden, um so mit Hilfe des Frequenzumrichters eine Bremslast zu erzeugen und der Welle aufzuprägen.
Weiterhin wird in der EP 1 289 118 A1 vorgeschlagen, zum Hochfahren eines Turbosatzes eine Gleichrichtererregermaschine als Asynchrongenerator zu betreiben, mittels derer dann ein Bremsmoment erzeugt werden kann.
Regelungstechnisch besonders aufwändig und sehr zeitintensiv ist das Anfahren und/oder das Herunterfahren einer Turbinenanlage, die mit einem Hauptstrang und einem zuschaltbaren Nebenstrang, der auch ein Teilstrang sein kann, aus- geführt ist. Dies ist beispielsweise bei Dampfturbinen in Einwellen-Kombianlagen mit einer Gasturbine und einer Dampfturbine auf einem Wellenstrang sowie bei speziellen Heiz- und/oder Entnahmeturbinen mit abschaltbaren Teilturbinen oder gegebenenfalls auch bei Einwellen-Luftturbinenanlagen der Fall. Zum Anfahren und/oder Herunterfahren der Turbinenanlage wird der zuschaltbare Nebenstrang üblicherweise mittels einer zwischengeschalteten Kupplung von dem Hauptstrang entkoppelt. Der Nebenstrang muss somit getrennt vom Hauptstrang angefahren und/oder heruntergefahren werden. Aufgrund des Fehlens eines hinreichenden Bremsmoments gestaltet sich dies besonders schwierig. Auch kann bei einem vom Hauptstrang entkoppelten Anfahren des Nebenstrangs nur ein verhältnismäßig kleiner Massenstrom an Arbeitsfluid, zumeist Luft oder Dampf, durch die Turbine des Nebenstrangs geführt werden, da sonst zulässige Drehzahlgrenzen überschritten werden können. Hierdurch kommt es oftmals nicht zu einer hinreichenden Temperaturangleichung zwischen dem Arbeitsfluid und den an den Durchströmkanal der Turbine angrenzenden Bauteilen der Turbine, so dass das Erreichen der Volllast verzögert wird, weil erst im gekoppelten Zustand ein höherer Massenstrom zugelassen werden kann. Dieser höhere Massenstrom ist zur vollständigen Aufwärmung der Bauteile der Turbine notwendig, die ihrerseits eine Voraussetzung für das Erreichen der Volllast ist.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Nachteile des Standes der Technik gemindert oder vermieden werden. Die Erfin- düng soll insbesondere dazu beitragen, dass eine zur Stromerzeugung verwendete Turbinenanlage, die einen zuschaltbaren Nebenstrang umfasst, in kurzer Zeit angefahren und/oder heruntergefahren werden kann, wobei die Ausbildung von Ventilation auch in dem Nebenstrang weitgehend vermieden werden soll. Gemäß einem weiteren Aspekt soll durch die Erfindung ein zusätzlicher Freiheitsgrad für den Entwurf einer Turbinenanlage mit zuschaltbarem Nebenstrang insbesondere im Hinblick auf transiente Betriebszustände der Anlage, wie ein Anfahren oder ein Herunterfahren der Anlage, geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Anfahren einer Turbinenanlage gemäss Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die Turbinenanlage umfasst einen Hauptstrang mit wenigstens einer ersten Turbine und einem Generator, der mit der ersten Turbine antriebsverbunden ist. Ferner umfasst die Turbinenanlage einen Nebenstrang, der mit dem Hauptstrang vorzugsweise über eine Kupplung koppelbar ist. Der Nebenstrang umfasst wenigstens eine zweite Turbine. Der Nebenstrang kann aber auch ein anderweitig ausgebildeter, mit dem Hauptstrang koppelbarer Teilstrang der Turbinenanlage sein. Häufig ist die Turbinenanlage als Einwellenanlage ausgeführt, wobei die Welle der Einwellenanlage in zwei miteinander koppelbare Teilwellen unterteilt ist. Die erste Teilwelle ist dann Teil des Hauptstrangs, der zweite Teilwelle Teil des Nebenstrangs. Des Weiteren umfasst die Turbinenanlage eine erste Bremseinrichtung, mit der im entkoppelten Zustand des Nebenstrangs ein Bremsmoment auf den Nebenstrang aufbringbar ist.
Im entkoppelten Zustand, beispielsweise beim Anfahren oder Herunterfahren der Turbinenanlage, ist der Nebenstrang nicht mit dem Hauptstrang gekoppelt. Insbesondere kann somit im entkoppelten Zustand dem Nebenstrang über den Hauptstrang kein Bremsmoment aufgeprägt werden. Dies ermöglicht auch, den Vorgang des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens des Nebenstrangs unabhängig und somit separat von dem Hauptstrang vorzunehmen. Um das Anfahren des Nebenstrangs und/oder das Herunterfahren des Nebenstrangs regelungsseitig zu vereinfachen und dadurch die für das Anfahren und/oder das Herunterfahren des Nebenstrangs benötigte Zeitdauer zu verkürzen, ist dem Nebenstrang die erste Bremseinrichtung zugeordnet. Die erste Bremseinrichtung wirkt dementsprechend unmittelbar auf den Nebenstrang. Da dem Nebenstrang mittels der ersten Bremseinrichtung somit erfindungsgemäß unabhängig vom Hauptstrang in gut regelbarer weise ein Bremsmoment aufgeprägt werden kann, läßt sich der Nebenstrang der erfindungsgemäß ausgebilde- ten Turbinenanlage unabhängig vom Hauptstrang innerhalb einer erheblich verkürzten Zeitdauer anfahren und/oder herunterfahren. Hieraus resultiert eine höhere Flexibilität der Turbinenanlage hinsichtlich der Steuerung des Anfahrvorgangs und/oder des Vorgangs des Herunterfahrens sowie insbesondere auch eine Verkürzung der für das Anfahren und/oder das Herunterfahren der gesamten Turbi- nenanlage benötigten Zeitdauer. Beispielsweise kann so zunächst der Hauptstrang der Turbinenanlage in bekannter Weise angefahren werden. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dann bei Bedarf der Nebenstrang separat angefahren werden. Eine Kopplung des Nebenstrangs mit dem Hauptstrang erfolgt, sobald beide Stränge auf gleiche Drehzahlen hochgefahren sind. Das Anfahren des Ne- benstrangs kann aber nach wie vor auch gleichzeitig und/oder auch zusammen mit dem Hauptstrang erfolgen.
Die Turbinenanlage kann als Dampfturbinenanlage, als kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage, als Turbinenanlage einer CAES-Anlage oder auch als Tur- binenanlage einer anderweitigen Turbogruppe ausgeführt sein.
So sind beispielsweise in CAES-Anlagen oftmals zwei Turbinen in Reihe geschaltet. Häufig ist die erste Turbine als Luftturbine und die zweite Turbine als Gasturbine, die der Luftturbine über eine Kupplung zuschaltbar ist, ausgeführt. Die Luftturbine ist üblicherweise mit einem Generator drehfest verbunden, so dass die Luftturbine beim Anfahren von dem Generator abgebremst wird. Um auch der Gasturbine während des Anfahrvorgangs unabhängig und getrennt von der Luftturbine eine Bremslast aufprägen zu können, ist der Gasturbine gemäß der Erfindung eine erste Bremseinrichtung zugeordnet. Die Turbinen können somit individuell und unabhängig voneinander hochgefahren werden, wodurch sich die zum Anfahren der CAES-Anlage erforderliche Gesamtzeitdauer erheblich verkürzen lässt. Auch können so die sich in den Turbinen während des Anfahrvorgangs Fluid- und Materialtemperaturen individuell für jede Turbine in der Anfahrregelung berücksichtigt werden. Hierdurch kann die Gefahr unkontrollierter temperaturbedingter Materialspannungen und -dehnungen weitgehend ausgeschlossen werden. Auch können weitere Einflussfaktoren, die ein beschleunigtes Anfahren und/oder Herunterfahren einer der Turbinen oder beider Turbinen erlauben, individuell berücksichtigt werden, so dass auch hierdurch ein zeitlich optimiertes Anfahren und/oder Herunterfahren der Gesamtanlage ermöglicht wird.
Dieselben Vorteile ergeben sich für den Fall, dass die erste Turbine eine Gasturbine und die zweite Turbine eine dem Hauptstrang zuschaltbare Dampfturbine ist. Eine solche Anordnung findet sich auch häufig in Kombikraftwerken. Wie oben bereits erwähnt, kann die Erfindung auch vorteilhaft auf Dampfturbinenanlagen mit zuschaltbaren Teilturbinen, insbesondere auf Niederdruckturbinen in Dampfturbinenanlagen mit großen Dampfentnahmen, angewendet werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die erste Bremseinrichtung so ausgeführt, dass sie mit dem Nebenstrang wirkverbindbar und besonders zweckmäßig auch wieder entkoppelbar ist. Die Wirkverbindung läßt sich im Betrieb der Anlage herstellen und zweckmäßig auch wieder lösen bzw. entkoppeln. Die erste Bremseinrichtung muss dann nicht dauerhaft mit dem Nebenstrang mechanisch verbunden sein, sondern es ist möglich, die Bremseinrichtung so auszuführen, dass sie bei Bedarf hinzugeschaltet und beispielsweise nach dem Hochfahren des Nebenstrangs wieder von dem Nebenstrang getrennt wird.
Wirkverbindung bedeutet hierbei, dass mittels der Wirkverbindung im Betrieb der Bremseinrichtung ein nennenswertes Bremsmoment auf die betreffende Turbine übertragen wird. Eine lediglich mechanische Verbindung zwischen der Bremseinrichtung und der Turbine stellt somit keine Wirkverbindung dar, sondern wird in den meisten Fällen nur die notwendige Vorraussetzung für eine Wirkverbindung bilden. Für eine Wirkverbindung ist dann zusätzlich zur mechanischen Verbindung noch die Übertragung eines nennenswerten Bremsmoments auf die Turbine im Betrieb der Bremseinrichtung erforderlich.
Nennenswert bedeutet hierbei, dass das Bremsmoment in etwa in der Größenordnung des zur Abbremsung der Turbine benötigten Bremsmoments liegen muss. Bremsmomente, die beispielsweise allein auf Lagerreibung beruhen, fallen nicht hierunter.
Am Beispiel von elektrischen Bremsen, die stromlos außer Betrieb sind, bedeutet dies, dass, auch wenn im stromlosen Fall der elektrischen Bremse zwischen der elektrischen Bremse und der Turbine eine mechanische Verbindung existiert, hier keine Wirkverbindung vorliegt. Eine Wirkverbindung liegt erst vor, wenn die elektrische Bremse bestromt wird. Elektrische Bremsen sind daher von der Erfindung mit eingeschlossen, da sie im Betrieb der Anlage wirkverbindbar - und ebenso auch wieder wirktrennbar - sind, wenngleich sie auch dauerhaft mechanisch über eine Welle mit der Turbine verbunden sind.
Um auch hohe Drehmomente übertragen zu können, ist die erste Bremseinrichtung zweckmäßig drehfest mit der Welle des Nebenstrangs wirkverbindbar. Hierzu kann beispielsweise eine schaltbare mechanische Kupplung zwischen der ers- ten Bremseinrichtung und der Welle des Nebenstrangs vorgesehen sein, mittels der eine drehfeste mechanische Verbindung zwischen der ersten Bremseinrichtung und der Welle des Nebenstrangs herstellbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Bremseinrichtung im Betrieb der Bremseinrichtung wahlweise mit dem Nebenstrang oder mit dem Hauptstrang wirkverbindbar. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass die erste Bremseinrichtung eine Eingangswelle aufweist, die mittels zweier, voneinander getrennter Kupplungen wahlweise entweder dem Nebenstrang oder dem Hauptstrang aufschaltbar ist. Die erste Bremseinrich- tung kann aber auch zwei Eingangswellen aufweisen, wovon die erste Eingangswelle über eine erste Kupplung mit dem Hauptstrang und die zweite Eingangswel- Ie über eine zweite Kupplung mit dem Nebenstrang der Turbinenanlage koppelbar ist. Zusätzlich regelt in diesem Fall eine Logik, beispielsweise eine Steuerung, dass im Betrieb der Bremseinrichtung eine Kopplung der ersten Bremseinrichtung zu einem Zeitpunkt jeweils nur mit einem Strang erfolgt.
Der Vorteil einer in dieser Weise ausgestalteten ersten Bremseinrichtung besteht darin, dass nur eine Bremseinrichtung erforderlich ist, um sowohl den Hauptstrang als auch den Nebenstrang bremsmomentengesteuert anfahren oder auch herunterfahren zu können. Die beiden Stränge sind hierbei zeitlich nacheinander anzufahren und/oder herunterzufahren. Üblicherweise wird zum Anfahren der Turbinenanlage zunächst der Hauptstrang und anschließend der Nebenstrang angefahren. Der Vorgang des Herunterfahrens der Turbinenanlage erfolgt zweckmäßig umgekehrt.
Somit lassen sich mit nur einer Bremseinrichtung den wenigstens zwei Turbinen, d.h. der Turbine im Hauptstrang sowie der Turbine im Nebenstrang, Bremslasten aufschalten. Das Aufschalten der Bremslasten erfolgt hierbei aber zeitlich nacheinander.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Bremseinrichtung gleichzeitig sowohl mit dem Nebenstrang als auch mit dem Hauptstrang der Turbinenanlage wirkverbindbar. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass die erste Bremseinrichtung zwei Eingangswellen aufweist, wovon die erste Eingangswelle über eine erste Kupplung mit dem Hauptstrang und die zwei- te Eingangswelle über eine zweite Kupplung mit dem Nebenstrang der Turbinenanlage koppelbar ist. Somit lassen sich mit nur einer Bremseinrichtung den wenigstens zwei Turbinen, d.h. der Turbine im Hauptstrang sowie der Turbine im Nebenstrang, zeitgleich Bremslasten aufschalten.
Vorteilhaft ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich zwischen der ersten Bremseinrichtung und dem Nebenstrang und/oder zwischen der ersten Bremseinrichtung und dem Hauptstrang ein Mittel zur Veränderung der Aufteilung der Bremslast der ersten Bremseinrichtung auf den Nebenstrang und/oder auf den Hauptstrang angeordnet. Das Mittel zur Veränderung der Aufteilung der Bremslast kann beispielsweise ein hydrodynamischer oder hydrostatischer Wand- ler sein. Zweckmäßig ist jedem Strang ein hydrodynamischer oder hydrostatischer Wandler zugeordnet. Bei einer in dieser Weise erfindungsgemäß weitergebildeten Turbinenanlage können der Hauptstrang und der Nebenstrang zeitgleich angefahren und/oder heruntergefahren werden, wobei mittels der ersten Bremseinrichtung jedem Strang ein individuelles Bremsmoment aufgeprägt werden kann. Die Höhe des dem jeweiligen Strang aufgeprägten, individuellen Bremsmoments kann über das von der ersten Bremseinrichtung erzeugte Gesamtbremsmoment und die Aufteilung des Gesamtbremsmoments auf die individuellen Bremsmomente mit Hilfe des Mittels zur Veränderung der Aufteilung der Bremslast verändert und angepasst werden.
Es kann aber auch von Vorteil sein, die erste Bremseinrichtung mechanisch mit der Welle des Nebenstrangs zu verbinden. Hierdurch entfällt die Anordnung einer Kupplung zwischen dem Nebenstrang und der ersten Bremseinrichtung. Die erste Bremseinrichtung kann dann aber im hochgefahrenen Zustand nicht von dem Ne- benstrang getrennt werden kann, sondern läuft dann mit. Die Wirkverbindung ist jedoch im hochgefahrenen Zustand erfindungsgemäß trennbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Bremseinrichtung eine Fluidbremse, die auf Basis einer Verwirbelung eines Bremsfluids arbeitet. Fluidbremsen sind weitgehend verschleißfrei und können auch zur Erzeugung großer Bremsmomente verwendet werden. Es muss jedoch eine geeignete Wärmeabfuhr der dissipierten Bremsleistung sichergestellt werden, beispielsweise über einen oder mehrere Ölkühler, die in der Turbinenanlage bereits vorhanden sind. Die Bremswirkung kann entweder bei konstantem Aufnahme- volumen der Fluidbremse über die in der Fluidbremse befindliche Fluidmenge oder bei konstanter Fluidmenge über eine Veränderung des Aufnahmevolumens der Fluidbremse verändert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Bremseinrichtung eine elektrische Bremse. Elektrische Bremsen erzeugen einen durch eine Hilfseinrichtung von außen beeinflussbaren Wirbelstrom, der zumeist auf eine auf der Welle angeordnete Scheibe einwirkt. Als elektrische Bremse kann aber auch ein kleiner elektrischer Generator verwendet werden, dessen Leistung beispielsweise über Widerstände in Wärme umgewandelt oder mittels Frequenzumrichter einer produktiven Nutzung zugeführt wird. Elektrische Bremsen sind weitgehend verschleißfrei und können auch zur Erzeugung großer Bremsmomente eingesetzt werden. Auch hier ist für eine geeignete Wärmeabfuhr zu sorgen. Nachteile elektrischer Bremsen sind die hohen Investitionskosten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Bremseinrichtung eine mechanische Bremse. Mechanische Bremsen eignen sich aufgrund des Verschleißes jedoch nur für kleinere und mittlere Anlagen und sind nur unter Einschränkung für sehr große Anlagen geeignet.
Des Weiteren kann die Turbinenanlage zweckmäßig zusätzlich eine zweite
Bremseinrichtung umfassen, die auch im entkoppelten Zustand des Nebenstrangs mit dem Hauptstrang wirkverbindbar ist, um so ein Bremsmoment auf den Hauptstrang aufbringen zu können. Die Anordnung einer zweiten Bremseinrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäß angeordnete erste Bremseinrichtung nicht auch mit dem Hauptstrang verbindbar ist oder wenn die mittels der ersten Bremseinrichtung erzeugbaren Bremsmomente für den Hauptstrang nicht ausreichend sind.
Die zweite Bremseinrichtung kann mit der Welle des Hauptstrangs drehfest ver- bunden oder auch drehfest oder mit Schlupf verbindbar sein. Die erste Brems- einrichtung ist somit dem Nebenstrang, die zweite Bremseinrichtung dem Hauptstrang zugeordnet.
Bei vielen heute installierten Turbinenanlagen ist eine Nachrüstung der Turbinen- anläge gemäß der Erfindung möglich. Oftmals ist hierfür die bereits bestehende Generatoranlage der Turbinenanlage lediglich in geeigneter weise zu ergänzen.
In vielen Anwendungsfällen wird es zweckmäßig sein, eine Turbinenanlage neben einer erfindungsgemäß ausgeführten Generatoranlage auch mit einem regelbaren Bypass auszustatten, um einen Teil eines Arbeitsfluids an einer Turbine oder Teilturbine des Hauptstrangs oder des Nebenstrangs vorbeileiten zu können. Durch eine Kombination der erfindungsgemäßen Anordnung einer ersten Bremseinrichtung mit einem regelbaren Bypass stehen für die Regelung des Anfahrvorgangs des Nebenstrangs der Turbinenanlage zwei Regelgrößen als Freiheitsgrade der Regelung zur Verfügung. Der Bypass kann bei kombinierter Anordnung einer ersten Bremseinrichtung und eines Bypasses jedoch kleiner und somit in der Investition kostengünstiger ausgeführt werden, als dies ohne erste Bremseinrichtung der Fall wäre. Ferner kann durch eine Kombination von Bypass und Bremseinrichtung eine Verkürzung der Anfahrzeit erzielt werden.
Wie bereits erwähnt, ist die erste und/oder die zweite Bremseinrichtung zweckmäßig als elektrische Bremse ausgeführt. Die elektrische Bremse umfasst vorteilhaft eine Generatorbeschaltung zur Beschaltung eines Generators, der mit der Turbine oder der Teilturbine des jeweiligen Strangs antriebsverbunden ist. Der Generator ist zweckmäßig als Synchrongenerator ausgeführt, wobei die Erfindung auch Bremseinrichtungen umfasst, bei denen der Generator als Asynchrongenerator ausgeführt ist. Sowohl mit Synchrongeneratoren als auch mit Asynchron - generatoren lassen sich Synchrondrehzahlen einregeln. Im Falle eines Synchrongenerators lassen sich diese Synchrondrehzahlen aber leichter einregeln, so dass die Anforderungen an die Regelung bei Verwendung eines
Synchrongenerators im Vergleich zu einem Asynchrongenerator geringer sind. Der Generator umfasst in bekannter Weise einen Stator sowie einen Läufer. Die Generatorbeschaltung umfasst einen Erregerkreis, über den der Stator und der Läufer miteinander verbunden sind. Zur Fremderregung des Läufers wird von dem Stator eine elektrische Leistung abgegriffen und über den Erregerkreis dem Läufer zugeführt. Zusätzlich ist wenigstens ein weiterer elektrischer Verbraucher angeordnet, der zur Erhöhung der Bremslast des Generators dem Erregerkreis zuschaltbar ist.
Als Folge des Zuschaltens des weiteren elektrischen Verbrauchers wird von dem Stator des Generators eine erhöhte elektrische Leistung abgegriffen, wobei die Differenz zwischen der erhöhten elektrischen Leistung und der ursprünglichen elektrischen Leistung durch den weiteren elektrischen Verbraucher verbraucht wird. Bei einer höheren abgegriffenen elektrischen Leistung erzeugt der Genera- tor ein größeres Bremsmoment, das dann auf die mit dem Generator antriebsverbundene Turbine wirkt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Generatorbeschaltung der Turbinenanlage ist der wenigstens eine weitere elektrische Verbraucher in Parallelschaltung zu dem Erregerkreis angeordnet und wird dem Erregerkreis somit in Parallelschaltung zugeschaltet. Der Erregerkreis umfasst zweckmäßig einen Erregertransformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite sowie einen Gleichrichter mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite. Der Erregertransformator ist dann primärseitig mit dem Stator des Generators und sekundärseitig mit der Anode des Gleichrichters verbunden. Die Kathode des Gleichrichters ist mit dem Läufer des Generators verbunden. Der Erregerkreis stellt somit zusammen mit dem Stator des Generators und dem Läufer des Generators einen geschlossenen Stromkreis dar.
Der elektrische Verbraucher kann dann beispielsweise in dem Bereich zwischen dem Stator des Generators und der Primärseite des Erregertransformators in den Erregerkreis zuschaltbar angeordnet sein. Alternativ kann der elektrische Verbraucher aber auch in den Bereich zwischen der Sekundärseite des Erregertransformators und der Anode des Gleichrichters oder in den Bereich zwischen der Kathode des Gleichrichters und dem Läufer des Generators zuschaltbar angeordnet sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der
Generatorbeschaltung ist der wenigstens eine weitere elektrische Verbraucher ein Lastwiderstand.
Zweckmäßig ist zwischen dem wenigstens einen weiteren elektrischen Verbrau- eher und dem Erregerkreis ein Schaltelement angeordnet, mittels dem der wenigstens eine weitere elektrische Verbraucher dem Erregerkreis zuschaltbar ist. Das Schaltelement kann als mechanischer Schalter oder alternativ auch als Halbleiteranordnung ausgeführt sein.
Um die Bremsleistung auch stufenweise erhöhen zu können, können zweckmäßig auch eine Mehrzahl weiterer elektrischer Verbraucher angeordnet sein, die dann getrennt voneinander dem Erregerkreis zuschaltbar sind. Bei Anordnung mehrerer elektrischer Verbraucher können diese so angeordnet sein, dass die elektrischen Verbraucher alle einem Bereich des Erregerkreises, bspw. dem Bereich zwischen der Sekundärseite des Erregertransformators und der Anode des Gleichrichters, oder auch verschiedenen Bereichen des Erregerkreises zuschaltbar sind. Mehrere zuschaltbar angeordnete elektrische Verbraucher können im Betrieb der Turbinenanlage natürlich auch alle zeitgleich dem Erregerkreis zugeschaltet werden.
In einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Turbinenanlage umfasst die erste Bremseinrichtung und/oder die zweite Bremseinrichtung eine Generatoranlage mit einem Generator, der zur Stromerzeugung mit einer Turbine antriebsverbunden ist, einem Transformator, der primärseitig mit dem Generator und se- kundärseitig mit einem externen Stromnetz und/oder einem internen Stromnetz verbunden ist, und einem Mittel zur Frequenzanpassung, das zwischen dem Generator und dem Transformator angeordnet ist.
Durch die Anordnung des Mittels zur Frequenzanpassung zwischen dem Genera- tor und dem Transformator ist es möglich, unabhängig von dem Betriebszustand der Turbinenanlage - somit auch während des Anfahrens und/oder des Herunter- fahrens der Turbinenanlage - Strom in das angeschlossene Stromnetz abzugeben. Durch die Abgabe des erzeugten Stroms in das Stromnetz während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens der Turbinenanlage erzeugt der Generator ein deutlich höheres Bremsmoment, als dies bei Trennung des Generators von dem Transformator der Fall ist. Ein höheres Bremsmoment führt dazu, dass die Laststeigerung der Turbinenanlage während des Anfahrens gleichmäßiger erfolgen kann. Ein nun zulässiger, vergrößerter Mengenstrom an Arbeitsfluid reduziert gleichzeitig die Ausbildung von Ventilation in hinteren Turbinenstufen oder nach- geschalteten Turbinen.
Zweckmäßig kommt hier als Mittel zur Frequenzanpassung ein Frequenzumrichter, insbesondere ein statischer Frequenzumrichter, zum Einsatz. Ferner ist das Mittel zur Frequenzanpassung in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zuschaltbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der Generator und der Transformator über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden. Das Mittel zur Frequenzanpassung ist dann zweckmäßig so angeordnet, dass es in die Ver- bindungsleitung zugeschaltet werden kann. Hierzu ist beispielsweise zweckmäßig ein erstes Trennelement in der Verbindungsleitung angeordnet. Das Mittel zur Frequenzanpassung kann dann vorteilhaft in einer Umgehungsleitung, die das erste Trennelement umgeht, angeordnet sein, wobei auch in der Umgehungsleitung ein zweites Trennelement angeordnet ist. Durch ein Öffnen des in der Ver- bindungsleitung angeordneten ersten Trennelements und ein gleichzeitiges Schließen des in der Umgehungsleitung angeordneten zweiten Trennelements kann so das Mittel zur Frequenzanpassung in einfacher Weise zugeschaltet oder bei umgekehrter Schaltlogik auch wieder abgeschaltet werden. Zweckmäßig sind die Trennelemente als Trennschalter ausgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in den Figuren jeweils in schematischer Darstellung illustriert sind. Es zeigen:
Figur 1a eine aus dem Stand der Technik bekannte CAES-Anlage;
Figur 1 b eine aus dem Stand der Technik bekannte Dampfkraftwerksanlage; Figur 1c eine aus dem Stand der Technik bekannte kombinierte Gas- und
Dampfkraftwerksanlage;
Figur 2 eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage; Figur 3 eine zweite erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage; Figur 4 eine dritte erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage; Figur 5 eine vierte erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage; Figur 6 eine Generatorbeschaltung zur Verwendung in einer erfindungsgemäß ausgeführten Turbinenanlage; Figur 7a eine Generatoranlage mit Speisung eines externen Netzes zur Verwendung in einer erfindungsgemäß ausgeführten Turbinenanlage; Figur 7b eine Generatoranlage mit Speisung eines internen Netzes zur Verwendung in einer erfindungsgemäß ausgeführten Turbinenanlage.
In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente und Bauteile dargestellt. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis dienen, jedoch nicht als Einschränkung des Erfindungsgegenstandes verstanden werden. Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1a zeigt in einer schematischen Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte CAES-Anlage 1. Die CAES-Anlage 1 umfasst einen Gasspeicher 10, in dem ein Gas, beispielsweise Luft, unter Druck speicherbar ist. Ferner umfasst die CAES-Anlage 1 eine Turbogruppe, die in der in Figur 1a dargestellten Ausführung eine erste Luftturbine 1 1 und eine der Luftturbine nachgeschaltete Niederdruckturbine 13 umfasst. Gasspeicher 10, Luftturbine 11 und Niederdruckturbine 13 sind über Verbindungsleitungen 16 und 17 miteinander verbunden. In der Verbindungsleitung 16 ist ein Absperrventil 20 zur Drosselung oder Absperrung des Durchflusses aus dem Gasspeicher 10 angeordnet. An die Niederdruckturbine 13 schließen sich im Weiteren die Leitungen 18 und 19 an.
Stromauf der Luftturbine 11 ist des Weiteren ein Wärmetauscher 15 in die Leitung 16 zwischengeschaltet. In dem Wärmetauscher 15 wird die aus dem Gasspeicher 10 kommende Luft durch das aus der Niederdruckturbine 13 austretende Brenngas-Luft-Gemisch vorgewärmt. Zwischen Luftturbine 11 und Niederdruckturbine 13 ist weiterhin eine Brennkammer 12 zur Erwärmung der aus der Luftturbine 11 austretenden Luft angeordnet, bevor das so erwärmte und ausgedehnte Brenngas-Luft-Gemisch in die Niederdruckturbine 13 eintritt. Die Brennkammer 12 wird hierzu über die Brennstoffzuleitung 21 mit Brennstoff, beispielsweise einem
Brenngas, versorgt. Stromab der Niederdruckturbine 13 ist ein weiterer Hilfsbren- ner 14 mit eigener Brennstoffzuleitung 14-1 angeordnet, um die Temperatur des Brenngas-Luft-Gemischs nochmals zu erhöhen, bevor dieses in den Wärmetauscher 15 eintritt. Nach erfolgter Wärmeabgabe an die von dem Gasspeicher 10 kommende kalte Luft im Wärmetauscher 15 verlässt das Brenngas-Luft-Gemisch letztendlich das CAES-System 1 durch die Abführleitung 19 und wird von hier beispielsweise an die Umgebung abgegeben.
Die Luftturbine 11 und die Niederdruckturbine 13 sind über eine gemeinsame Welle mit einem Generator 30 verbunden, wobei die Welle hier in zwei Teilwellen 25ι und 25M unterteilt ist, die über eine Kupplung 26 miteinander verbunden werden können. Die Turbine 11 , die Teilwelle 25ι und der Generator 30 bilden hier den Hauptstrang der Turbinenanlage; die Turbine 11 und die Teilwelle 25M den Nebenstrang der Turbinenanlage.
Weiterhin ist der stromerzeugende Generator 30 über eine Stromleitung 34, in die ein Unterbrechungsschalter 33 zwischengeschaltet ist, mit einer Primärseite eines Netztransformators 32 verbunden. Auf der Sekundärseite ist der Netztransformator 32 mit einem externen Stromnetz 35 verbunden.
Während des Anfahrens der Turbinenanlage sind die Teilwellen 25ι und 25M voneinander entkoppelt, so dass jeder Strang unabhängig von dem jeweils anderen Strang angefahren werden kann. Erst wenn die Turbinen jeweils auf Nenndrehzahl hochgefahren sind, werden die Stränge über die Kupplung 26 miteinander gekoppelt.
Beim Anfahren wirken im Wesentlichen lediglich die vergleichsweise geringen Reibungsverluste der Lager der Turbinen, der Wellen sowie des angeschlossenen Generators als Bremsmoment. Während die Turbine 11 wenigstens durch das von dem Generator erzeugte Bremsmoment verzögert wird, dreht die Turbine 13 bereits bei einem vergleichsweise geringen Luftmassendurchsatz auf hohe Drehzahlen hoch. Durch die hohen Drehzahlen bei einem jedoch nur geringen Luftmassendurchsatz kommt es oftmals insbesondere in den hinteren Turbinenstufen der Turbine 13 zu einer Ausbildung von Ventilation der Strömung. Die Ventilation der Strömung verursacht wiederum hohe, zumindest aber untypische thermische und mechanische Belastungen der Schaufeln.
Auch ist es zur Erziel ung eines schnellen Temperaturausgleichs erstrebenswert, bereits zu einem frühen Zeitpunkt während des Anfahrens einen möglichst hohen Luftmassendurchsatz durch die beide Turbinen 11 und 13 strömen zu lassen. Auch bei den in den Figuren 1 b und 1c schematisch dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerksanlagen ergibt sich während des Anfahrvorgangs die oben ausgeführte Problemstellung.
Figur 1 b zeigt eine Dampfkraftwerksanlage 40|, die eine erste Dampfturbine 411, eine zweite Dampfturbine 41 n sowie einen Generator 43 umfasst. Die erste Dampfturbine 411 ist über die Welle 45 dauerhaft drehfest mit dem Generator 43 verbunden. Die zweite Dampfturbine 41 n ist über die Teilwellen 46| und 46n, die mittels der Kupplung 44 miteinander verbindbar sind, trennbar mit dem Generator verbunden. Zum Anfahren der Dampfkraftwerksanlage wird die zweite Dampfturbine 41 ii mittels der Kupplung 44 von dem Generator 43 abgekoppelt. Dementsprechend wirkt auf die zweite Dampfturbine nahezu keine Bremslast. Die zweite Dampfturbine würde bereits durch einen geringen Dampfmassenstrom auf eine unzulässig hohe Drehzahl hochdrehen.
Dies trifft in gleicher Weise auf die Dampfturbine 42n der in Figur 1c dargestellten Kombikraftwerksanlage 40n zu. Neben der Dampfturbine 42n umfasst die Kombikraftwerksanlage 4On eine Gasturbine 42|.
Hier setzt die Erfindung an. Die Figuren 2 bis 5 zeigen jeweils in schematischer Darstellung erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlagen. In den Figuren ist jeweils nur der zum Verständnis der Erfindung wesentliche Sachverhalt wiedergegeben. So sind beispielsweise Zuström- und Abströmleitungen zu und von den Turbinen, Absperr- und Regelelemente zur Regelung des Durchflusses als auch eventuell vorhandene Brennkammern und Zwischenerhitzer nicht dargestellt.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage 50 mit einer dem Nebenstrang 5ON zugeordneten, ersten Bremseinrichtung 57. Mittels der ersten Bremseinrichtung 57 kann dem Nebenstrang 5ON der Turbinenanlage 50 auch dann kontrolliert ein Bremsmoment aufgeprägt werden, wenn der Nebenstrang 5ON von dem Hauptstrang 5OH entkoppelt ist.
Die Turbinenanlage 50 umfasst eine erste Turbine 51 sowie eine zweite Turbine 52, wobei die erste Turbine 51 beispielsweise als Gasturbine und die zweite Turbine 52 als Dampfturbine ausgebildet sein kann. Es können aber auch beide Turbinen als Dampfturbinen oder auch als Gas- oder Luftturbinen ausgebildet sein. Die Turbine 51 ist mit der Teilwelle 54 fest verbunden, die Turbine 52 mit der TeN- welle 55. Die Teilwellen 54 und 55 wiederum sind über die zwischen den Teilwellen angeordnete Kupplung 56 miteinander koppelbar. Mit der Teilwelle 54 fest verbunden ist ein Generator 53, der zur Stromerzeugung von der Turbine 51 und bei miteinander gekoppelten Teilwellen 54 und 55 auch von der Turbine 52 angetrieben wird. Die Turbine 51 bildet zusammen mit dem Generator 53 und der Teilwelle 54 hier den Hauptstrang 5OH der Turbinenanlage 50. Die Turbine 52 und die Teilwelle 55 bilden den Nebenstrang 5ON der Turbinenanlage 50.
Um nun dem Nebenstrang 5ON unabhängig vom Hauptstrang 5OH auch im abgekoppelten Zustand gezielt ein Bremsmoment aufprägen zu können, ist die erste Bremseinrichtung 57 ist mit einer weiteren Teilwelle 58 fest verbunden, wobei die weitere Teilwelle 58 über eine Kupplung 59 mit der Teilwelle 55 des Nebenstrangs 5ON drehfest oder mit Schlupf verbindbar ist. Bei eingerückter Kupplung 59 kann so über die Teilwellen 58 und 55 eine Bremslast von der ersten Bremseinrichtung 57 auf die Turbine 52 übertragen werden.
Oftmals wird die Kupplung 59 auch entbehrlich sein. Dies gilt insbesondere für die Fälle, in denen die Bremswirkung der ersten Bremseinrichtung 57 weitgehend vollständig abschaltbar ist, wie beispielsweise im Falle einer elektrischen Bremse. Im unbestromten Zustand der elektrischen Bremse 57 werden nur vernachlässig- bar geringe Lagerverluste erzeugt, so dass die elektrische Bremse 57 auch im Normalbetrieb mit dem Nebenstrang 5ON der Turbinenanlage 50 verbunden bleiben kann.
Die erste Bremseinrichtung 57 kann als Fluidbremse oder als elektrische Bremse oder als mechanische Bremse oder auch als eine Kombination hieraus mit den jeweils spezifischen Vorteilen ausgebildet sein.
Zum Anfahren der in Figur 2 dargestellten Turbinenanlage 50 wird üblicherweise mittels der Kupplung 56 der Nebenstrang 5ON von dem Hauptstrang 5OH abge- koppelt, um Haupt- und Nebenstrang getrennt voneinander anzufahren. Erst bei Erreichen der Nenndrehzahl werden die Stränge 5OH und 5ON wieder über die Kupplung 56 miteinander gekoppelt. Wie bereits zu Figur 1a ausgeführt, stellt sich hierbei das Problem, dass im entkoppelten Zustand beim Anfahren der Anlage 50 insbesondere auf die Turbine 52 nahezu kein oder ein nur sehr geringes Bremsmoment einwirken würde. Die Turbine 52 würde somit bereits durch einen geringen Massenstrom des Arbeitsfluids auf unzulässig hohe Drehzahlen beschleunigt werden. Durch die Anordnung der ersten Bremseinrichtung 57 kann der Turbine 52 während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens ein vom Hauptstrang 50 H unabhängiges Bremsmoment aufgeschaltet werden. Einerseits ist so das Anfahren und/oder das
Herunterfahren des Nebenstrangs gut kontrollierbar. Andererseits kann aufgrund des durch die Bremseinrichtung 57 erzeugten und der Turbine 52 aufgeprägten Bremsmoments bereits beim Anfahren ein größerer Massenstrom an Arbeitsfluid durch die Turbine 52 geleitet werden. Hierdurch läßt sich eine schnellere und über den Anfahrvorgang gleichmäßigere Temperaturangleichung der an den Durchströmkanal angrenzenden Bauteile an die Temperatur des Arbeitsfluids erzielen, wodurch die Ausbildung von Ventilation wird reduziert oder weitgehend vermieden werden kann.
Sind sowohl der Hauptstrang 5OH als auch der Nebenstrang 5ON auf Nenndrehzahl hochgefahren, so werden die Stränge über die Kupplung 56 miteinander ge- koppelt. Anschließend wird die erste Bremseinrichtung 57 über die Kupplung 59 von dem Nebenstrang 50 N abgekoppelt. Die erste Bremseinrichtung 57 wird somit im hochgefahrenen Zustand der Turbinenanlage 50 nicht weiter mitgeführt. Zum Herunterfahren der Turbinenanlage 50 kann die erste Bremseinrichtung 57 wieder mit dem Nebenstrang 50 N gekoppelt werden, bevor der Nebenstrang 5ON von dem Hauptstrang 5OH abgekoppelt wird.
Neben einer mechanischen Kopplung und Abkopplung der ersten Bremseinrichtung mit dem Nebenstrang ist es bei einer Bremseinrichtung, die einen Generator und einen Frequenzumrichter umfasst, beispielsweise auch möglich, den Frequenzumrichter dem ansonsten leer mitlaufenden Generator oder Nebengenerator lediglich elektrisch aufzuschalten bzw. elektrisch von diesem zu trennen. Auch kann eine als hydrodynamischer Wandler ausgeführte Bremseinrichtung lediglich mit Öl befüllt bzw. das Öl wieder entfernt werden, um so einen optimalen Normal- betrieb zu gewährleisten. Frequenzumrichter und hydrodynamischer Wandler können somit dauerhaft mechanisch mit dem Nebenstrang verbunden bleiben, auch wenn keine Wirkverbindung erzeugt werden soll.
In Figur 3 ist eine zweite, erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage 60 dar- gestellt. Die Turbinenanlage 60 umfasst eine erste Turbine 61 und eine zweite Turbine 62. Die erste Turbine kann beispielsweise eine Gasturbine und die zweite Turbine eine Dampfturbine sein. Es können aber auch beide Turbinen als Dampfturbinen oder auch als Gas- oder Luftturbinen ausgebildet sein. Die Turbine 61 ist mit der Teilwelle 64 fest verbunden, die Turbine 62 mit der Teilwelle 65. Die TeN- wellen 64 und 65 sind über die zwischen den Teilwellen angeordnete Kupplung 66 miteinander koppelbar. Mit der Teilwelle 64 fest verbunden ist ein Generator 63, der zur Stromerzeugung von der Turbine 61 und bei miteinander gekoppelten Teilwellen 64 und 65 auch von der Turbine 62 angetrieben wird. Die Turbine 61 bildet zusammen mit dem Generator 63 und der Teilwelle 64 hier den Hauptstrang 6OH der Turbinenanlage 60. Die Turbine 62 und die Teilwelle 65 bilden den Nebenstrang 6ON der Turbinenanlage 60. Ferner ist hier eine als Synchron- oder Asynchrongenerator 67 ausgebildete erste Bremseinrichtung drehfest mit der Teilwelle 65 verbunden. Eine Wirkverbindung zwischen dem als erste Bremseinrichtung ausgeführten Generator 67 und der Turbine 62 liegt aber erst bei Bestromung des Generators 67 vor, da der Generator 67 erst bei Bestromung eine Bremslast erzeugt. Im unbestromten Zustand werden durch den Generator lediglich vernachlässigbare Verluste, bspw. durch die Lagerreibung, verursacht.
Der Betrieb der Turbinenanlage 60 erfolgt analog den Ausführungen zu Figur 2. Jedoch kann hier der als erste Bremseinrichtung ausgeführte Generator 67 im hochgefahrenen Betrieb der Turbinenanlage 60 nicht von der Teilwelle 65 entkoppelt werden.
Die in Figur 3 zwischen der Kupplung 66 und der Turbine 62 angeordnete erste Bremseinrichtung 67 könnte aber auch am turbinenaustrittsseitigen Wellenende der Turbine 62 angeordnet sein.
Figur 4 zeigt eine dritte, erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage 70. Die hier dargestellte Turbinenanlage 70 umfasst wiederum einen Hauptstrang 7OH und einen Nebenstrang 7ON. Der Hauptstrang 7OH umfasst eine erste Turbine 71 sowie einen Generator 73. Erste Turbine 71 und Generator 73 sind über die Welle 74 dauerhaft drehfest miteinander verbunden. Der Nebenstrang 7ON umfasst eine zweite Turbine 72, die mit der Teilwelle 75| drehfest verbunden ist. Die Teilwelle 75| kann mittels der Kupplung 79 mit der Teilwelle 75n verbunden werden. Die Teilwelle 75n wiederum kann mittels der Kupplung 76 mit der Welle 74 verbunden werden. Über ein Einkuppeln beider Kupplungen 76 und 79 läßt sich somit die zweite Turbine 72 auch mit dem Generator 73 verbinden. Die erste Turbine kann beispielsweise eine Gasturbine und die zweite Turbine kann eine Dampfturbine sein. Es können aber auch beide Turbinen als Dampfturbinen oder auch als Gas- oder Luftturbinen ausgebildet sein.
Auf der Teilwelle 7511 ist des Weiteren eine als Generator 77ausgeführte erste Bremseinrichtung angeordnet. Der Generator 77 kann als Synchrongenerator oder als Asynchrongenerator ausgeführt sein. Mittels der Kupplung 76 läßt sich die Bremseinrichtung mit dem Hauptstrang 7OH koppeln, mittels der Kupplung 79 mit dem Hauptstrang 7ON.
Um eine Wirkverbindung zwischen dem Generator 77 mit einer der Turbinen oder mit beiden Turbine herzustellen, muss neben dem Einkuppeln der betreffenden Kupplung ferner der Generator 77 bestromt werden. Eine Wirkverbindung tritt hier demgemäss nur im Betrieb des Generators 77, d.h. im bestromten Zustand des Generators 77, auf.
Das Anfahren der in Figur 4 dargestellten Turbinenanlage 70 kann gemäß zwei Betriebsweisen erfolgen. Einerseits kann die Bremseinrichtung 77 wahlweise entweder mit dem Nebenstrang 7ON oder mit dem Hauptstrang 7OH wirkverbunden werden. Bei dieser Betriebsweise können der Hauptstrang 7OH und der Nebenstrang 7ON beim Anfahren und/oder Herunterfahren der Anlage nur zeitlich nacheinander mit der Bremseinrichtung 77 wirkverbunden werden. Der jeweils andere Strang ist hierzu während des Anfahrvorgangs über die jeweilige Kupplung von der Bremseinrichtung 77 abzukoppeln. Alternativ kann es aber auch zweckmäßig sein, die Bremseinrichtung 77 gleichzeitig sowohl mit dem Hauptstrang 7OH als auch mit dem Nebenstrang 7ON wirkzuverbinden. Hierzu werden beide Kupplungen 76 und 79 eingekuppelt und der Generator 77 wird bestromt.
Welche Betriebsweise angewendet wird, hängt von der maximal zur Verfügung stehenden Bremslast des Generators 77 und den für die Turbinen 71 und 72 erforderlichen Bremsmomenten ab. Genügt die maximal zur Verfügung stehende Bremslast nicht, um beide Turbinen während des Anfahrens hinreichend zu bremsen, so muss die Turbinenanlage 70 gemäß der ersten Betriebsweise angefahren werden, d.h. die Turbinen werden nacheinander angefahren. Die Kupplungen sowie der Generator 77 werden hierzu von einer in Figur 4 nicht dargestellten Steu- erungsvorrichtung angesteuert.
Damit kann zunächst die Turbine 71 angefahren werden, wobei der Turbine 71 von dem Generator 77 ein Bremsmoment aufgeprägt wird. Die Kupplung 76 ist hierbei ein- und die Kupplung 79 ausgerückt. Nach Erreichen der Synchrondreh- zahl gibt der Generator Leistung an ein externes Netz (in Figur 4 nicht dargestellt) oder an ein internes Eigenbedarfsnetz (in Figur 4 ebenso nicht dargestellt) ab und übt somit ein nennenswertes Bremsmoment auf die Welle 74 aus. Die durch den Generator 77 erzeugte Bremslast wird jetzt nicht mehr benötigt, und die Kupplung 76 wird ausgerückt. Rückt man die Kupplung 79 ein, wirkt die durch den Genera- tor 77 erzeugte Bremslast ausschließlich auf die Turbine 72. Nachdem die Turbine 72 die Synchrondrehzahl erreicht hat, wird die Kupplung 76 eingerückt. Eine von dem Generator 77 erzeugte Bremslast wird im Weiteren nicht mehr benötigt. Die Erregungsleitung wird demgemäss abgestellt, d.h. die Bestromung des Generators 77 beendet. Im unbestromten Zustand erzeugt der Generator 77 nur sehr geringe Verluste, die im Wesentlichen nur auf die Lagerung des Generators 77 zurückzuführen sind. Der Generator 77 bleibt zwar mit der Teilwelle 75n in mechanischer Verbindung. Es besteht aber keine Wirkverbindung mehr zwischen dem Generator 77 und einer der Turbinen.
Sollen die Turbinen 71 und 72 hingegen gleichzeitig angefahren werden, so muss der Generator 77 gleichzeitig mit beiden Turbinen in Wirkverbindung stehen. Hierzu sind beide Kupplungen 76 und 79 eingerückt und der Generator 77 ist be- stromt. Ferner ist in diesem Fall zweckmäßig zwischen dem Generator 77 und der Turbine 71 und/oder zwischen dem Generator 77 und der Turbine 72 wenigstens ein Mittel zur Veränderung der Aufteilung der Bremslast angeordnet. In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Mittel zweckmäßig in die Kupplungen 76 und 79 integriert. Die Kupplungen sind hier daher als hydrodynamische oder hydrostatische Kupplungen ausgeführt, bei denen die Kraftübertragung über die Ölbefüllung veränderbar ist. Die Aufteilung der Bremslast kann aber auch durch ein Vertrimmen der Anlage über Bypässe erfolgen.
Figur 5 zeigt eine weitere, erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlage 80 dargestellt, die weitgehend ähnlich zu der in Figur 2 dargestellten Turbinenanlage 50 ausgeführt ist. So umfasst die Turbinenanlage 80 eine erste Turbine 81 sowie eine zweite Turbine 82. Die Turbine 81 ist mit der Teilwelle 84, die Turbine 82 mit der Teilwelle 85 verbunden. Die Teilwellen 84 und 85 sind über die zwischen den Teilwellen angeordnete Kupplung 86 miteinander koppelbar. Mit der Teilwelle 84 fest verbunden ist der Generator 83. Turbine 81 , Generator 83 und Teilwelle 84 bilden zusammen den Hauptstrang 8OH der Turbinenanlage 80, Turbine 82 und Teilwelle 85 den Nebenstrang 8ON. Eine erste Bremseinrichtung 871 ist mit einer ersten weiteren Teilwelle 881 fest verbunden, wobei die erste weitere Teilwelle 881 wie auch in Figur 2 über eine erste weitere Kupplung 891 mit der Teilwelle 85 des Nebenstrangs 8ON drehfest oder mit Schlupf verbindbar ist. Ferner ist hier zusätzlich noch eine zweite Bremseinrichtung 8711 angeordnet, die mit einer zweiten weiteren Teilwelle 8811 fest verbunden ist. Die zweite weitere Teilwelle 8811 wiederum ist über eine zweite weitere Kupplung 8911 mit der Teilwelle 84 des Hauptstrangs 8OH drehfest oder mit Schlupf verbindbar ist. Die erste Bremseinrichtung 881 und die zweite Bremseinrichtung 8811 können als Fluidbremsen oder als elektrische Bremsen oder als mechanische Bremsen oder auch als Kombinationen hieraus mit den jeweils spezifischen Vorteilen ausgebildet sein.
Zum Anfahren der in Figur 5 dargestellten Turbinenanlage 80 wird somit dem Hauptstrang 8OH sowie auch dem Nebenstrang 8ON mittels der jeweils zugeord- neten Bremseinrichtung 871 bzw. 8711 eine Bremslast aufgeschaltet. Haupt- und Nebenstrang können somit entkoppelt voneinander angefahren werden und wer- den erst nach Erreichen der Nenndrehzahl im hochgefahrenen Zustand über die Kupplung 86 miteinander gekoppelt. Anschließend wird die erste Bremseinrichtung 871 über die Kupplung 891 von dem Nebenstrang 8ON abgekoppelt. Ebenso wird auch die zweite Bremseinrichtung 8711 über die Kupplung 8911 von dem Hauptstrang 8OH abgekoppelt.
Weiterhin zeigt Figur 6 eine Generatorbeschaltung zur Beschaltung eines Generators, der als erste Bremseinrichtung und/oder als zweite Bremseinrichtung oder als Teil einer solchen betrieben werden kann. Die Generatorbeschaltung des Ge- nerators 130 umfasst eine Erregerkreisschaltung 150, die hier so erweitert ist, dass je nach Bedarf wenigstens einer der beiden weiteren elektrischen Verbraucher 1601 oder 16011 dem Erregerkreis 150 zugeschaltet werden kann. Der Generator 130 umfasst in herkömmlicher Weise einen Läufer 130L und einen Stator 130S. Der als Innenläufer ausgebildete Läufer 130L ist konzentrisch zu dem Sta- tor 130S angeordnet und über wenigstens eine Welle (beispielsweise die Teilwellen 55 und 58 aus Figur 2) drehfest mit einer oder mehreren Turbinen (beispielsweise der Turbine 52 aus Figur 2) verbunden oder verbindbar. Zum Aufbau eines magnetischen Feldes wird der Läufer 130L nach dem Prinzip der Fremderregung über den Erregerkreis 150 mit elektrischer Leistung versorgt. Der Erregerkreis 150 umfasst hierzu einen Erregertransformator 151 mit einer Primärseite 151 P und einer Sekundärseite 151 S sowie einen Gleichrichter 152 mit einer Anodenseite 152A und einer Kathodenseite 152K. Der Gleichrichter 152 wird über die Steuereinheit 153 angesteuert.
Primärseitig ist der Erregertransformator 151 über den Leiter 154 mit dem Stator 130s des Generators 130 und sekundärseitig über den Leiter 155 mit der Anode 152A des Gleichrichters 152 verbunden. Die Kathode 152« des Gleichrichters 152 wiederum ist über den Leiter 156 mit dem Läufer 13OL des Generators 130 verbunden. Die von dem Stator 130S abgegebene Leistung wird über den Erregertransformator 151 auf ein Erregerspannungsniveau transformiert, mittels des Gleichrichters 152 gleichgerichtet und anschließend dem Läufer 130L aufgeprägt. Die strom- durchflossenen Wicklungen des Läufers 130L bilden ein Magnetfeld aus, das zu- sammen mit der Drehbewegung des Läufers 130L wiederum zu einer Induktion und einem Stromfluss im Stator 130S führt.
Im synchronisierten Zustand der Turbinenanlage (beispielsweise der CAES-AnIa- ge 1 aus Figur 1a) wird der auf diese Weise erzeugte Strom als elektrische Leis- tung über die Leitung 134 einem Netztransformator zugeführt und von hier in ein externes Netz eingespeist. Zur Unterbrechung der Zuführung des erzeugten elektrischen Stroms in das externe Netz ist in der Leitung 134 vor oder auch hinter dem Netztransformator ein Unterbrechungsschalter 134-U zwischengeschaltet. Der Netztransformator das externe Netz sowie weitere Schaltelemente sind in Figur 6 nicht dargestellt.
Im nichtsynchronisierten Zustand ist der Unterbrechungsschalter 134-U geöffnet, so dass der Strom nicht über die Leitung 134 abfließt. Somit stellt im nichtsynchronisierten Zustand lediglich der Erregerkreis 150 ein Verbraucher für den er- zeugten Strom dar mit einem jedoch nur geringen Verbrauch. Durch Zuschalten eines oder beider erfindungsgemäß angeordneter weiterer elektrischer Verbraucher 1601 und 16011 zu dem Erregerkreis 150 während des Hochfahrens oder He- runterfahrens der Turbine oder auch anderer transienter Betriebszustände der Turbinenanlage wird der Verbrauch an elektrischer Leistung innerhalb des Erre- gerkreises 150 erhöht. Hierdurch erfährt der Läufer 130L ein höheres Drehwiderstandsmoment, welches als Bremsmoment bzw. als Bremsleistung auf die Turbine übertragen wird.
Die hier als Lastwiderstände 1601 und 16011 ausgeführten weiteren elektrischen Verbraucher sind in Parallelschaltung zu dem Erregerkreis 150 angeordnet und können jeweils über einen Schalter dem Erregerkreis 150 zugeschaltet und wieder von diesem getrennt werden.
Gemäß der Darstellung in Figur 6 sind die elektrischen Verbraucher 1601 und 16011 dem Erregerkreis in einem Bereich zwischen der Sekundärseite 151 S des Erregertransformators 151 und der Anode 152A des Gleichrichters 152 zuschaltbar. Alternativ oder zusätzlich können die elektrischen Verbraucher aber auch anderen Bereichen des Erregerkreises 150 zuschaltbar sein. Dies ist durch die in Figur 6 gestrichelt dargestellten elektrischen Verbraucher 160-X und 160-Y wie- dergegeben.
Die Figuren 7a und 7b zeigen Generatoranlagen, die als erste Bremseinrichtung und/oder als zweite Bremseinrichtung oder als Teil einer solchen verwendet werden können. Die in Figur 7a dargestellte Generatoranlage G umfasst einen Gene- rator, hier einen Synchron- oder Asynchrongenerator 230, der mit einer Turbine (beispielsweise der Turbine 52 aus Figur 2) antriebsverbunden ist. Zweckmäßig ist der Generator mit der Turbine über eine Welle drehfest verbindbar oder verbunden. Ferner umfasst die Generatoranlage einen Transformator 232, der pri- märseitig über die Verbindungsleitung 234 mit dem Generator 230 und sekundär- seitig mit einem externen Stromnetz 235 verbunden ist.
Zwischen dem Generator 230 und dem Transformator 232 ist ein Mittel zur Frequenzanpassung zuschaltbar angeordnet. Das Mittel zur Frequenzanpassung ist hier ein statischer Frequenzumrichter 240, der in eine Umgehungsleitung 241 zwi- schengeschaltet ist. Die Umgehungsleitung 241 zweigt vor einem ersten, in der Verbindungsleitung 234 angeordneten Trennschalter 233 von der Verbindungsleitung 234 ab und mündet hinter dem ersten Trennschalter 233 wieder in die Verbindungsleitung 234. Um den Stromfluss durch die Umgehungsleitung 241 bedarfsweise zuschalten und auch wieder abschalten zu können, ist in der Umge- hungsleitung 241 ein zweiter Trennschalter 242 angeordnet. Während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens der Turbinenanlage sowie eventuell auch während weiterer transienter, nicht-synchronisierter Betriebs- zustände der angeschlossenen Turbine ist der in der Verbindungsleitung 234 angeordnete erste Trennschalter 233 geöffnet. Somit ist die direkte Verbindung zwi- sehen dem Generator 230 und dem Transformator 232 über die Verbindungsleitung 234 unterbrochen. Jedoch ist der in der Umgehungsleitung 241 angeordnete zweite Trennschalter 242 geschlossen, wodurch eine Verbindung von dem Generator 230 zu dem Transformator 232 über die Umgehungsleitung 241 und den statischen Frequenzumrichter 240 geschaltet ist. Im diesem Schaltzustand wird der statische Frequenzumrichter 240 so betrieben, dass der von dem Generator 230 erzeugte Strom zu dem externen Stromnetz 235 frequenzangepasst wird. Somit wird durch ein Zuschalten des statischen Frequenzumrichters 240 ermöglicht, dass der während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens der Turbinenanlage von dem Generator 230 erzeugte Strom in das externe Stromnetz abgege- ben werden kann. Ist die Turbinenanlage auf eine zur Synchronisierung ausreichende Drehzahl hochgefahren, so wird der statische Frequenzumrichter 240 wieder abgeschaltet. Hierzu wird der zweite Trennschalter 242 geöffnet. Gleichzeitig kann der erste Trennschalter 233 geschlossen werden, so dass eine Verbindung zwischen Generator 230 und Transformator 232 über die Verbindungsleitung 234 hergestellt ist. Beim Herunterfahren der Turbinenanlage wird der statische Frequenzumrichter 240 bei Unterschreiten einer Grenzdrehzahl, unterhalb der die Abgabe des erzeugten Stroms in das externe Stromnetz aus regelungstechnischen und/oder wirtschaftlichen Gründen nicht von Interesse ist, abgeschaltet.
Es zeigte sich, dass dadurch, dass der Strom, der während des Anfahrens und/oder des Herunterfahrens der Turbinenanlage erzeugt wird, in das externe Stromnetz abgeführt wird, das von dem Generator 230 erzeugte und über die Welle auf die Turbine übertragene Bremsmoment erheblich erhöht wird. Die Er- höhung des Bremsmoments ist hierbei weitgehend proportional zu der abgegebenen Strommenge. Im Gegensatz zu der Generatoranlage aus Figur 7a wird der durch den Generator 230 erzeugte Strom im Falle der Generatoranlage G der Figur 7b nicht in ein externes Stromnetz (235 in Figur 7a), sondern in ein internes Stromnetz 236 abge- geben. Hierzu ist der statische Frequenzumrichter 240 in einer zuschaltbaren Abzweigleitung 243 angeordnet. Die zuschaltbare Abzweigleitung 243 zweigt zwischen dem Generator 230 und dem ersten Trennschalter 233 von der Verbindungsleitung 234 ab und mündet in das interne Stromnetz 236. Das interne Stromnetz 36 dient zur Leistungsversorgung der Generatoranlage G oder auch der gesamten Turbinenanlage. Um die Verbindungsleitung 234 dem internen Stromnetz 236 bei Bedarf zuschalten und auch wieder trennen zu können, ist in der Abzweigleitung 243 ein weiterer, zweiter Trennschalter 242 angeordnet. Ferner ist in der Abzweigleitung 243 hier in Stromflussrichtung hinter dem statischen Frequenzumrichter 240 ein Transformator 244 angeordnet, der den frequenz- gewandelten Strom auf ein dem internen Stromnetz 236 entsprechendes Spannungsniveau transformiert.
Der Betrieb der in Figur 7b dargestellten Generatoranlage G entspricht den Ausführungen zu Figur 7a. Neben den oben bereits erwähnten Verbesserungen des Betriebs der Anlage, kann der während des Anfahrens und/oder des Herunterfah- rens der Turbinenanlage erzeugte Strom hier bereits vor der Synchronisierung des Turbinenbetriebs in die interne Leistungsversorgung eingespeist werden. Dies führt zu einer verbesserten Gesamt-Rentabilität der Anlage.
Die im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 7b beschriebenen Turbinen- und Generatoranlagen stellen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger weise ohne Weiteres modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken hierdurch zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 CAES-Anlage (Stand der Technik)
10 Gasspeicher
11 Luftturbine
12 Brennkammer
13 Niederdruckturbine
14 Hilfsbrenner
14-1 Brennstoffzuleitung des Hilfsbrenners
15 Wärmetauscher
16, 17, 18, 19 Leitungen
20 Absperrventil
21 Brennstoffzuleitung
25| Welle des Hauptstrangs
25|| Welle des Nebenstrangs
26 Kupplung
27 Bypass
28, 29 Absperrventile
30 Generator
32 Transformator
33 Trennschalter
34 Leitung
35 externes Stromnetz
40| Dampfkraftwerksanlage (Stand der Technik)
4On Kombikraftwerksanlage (Stand der Technik)
41|, 41 „ Dampfturbinen
42, Gasturbine
42„ Dampfturbine
43 Generator 44 Kupplung
45 Welle
46|, 46M Teilwellen
50, 60, 70, 80 erfindungsgemäß ausgeführte Turbinenanlagen
5OH, 6OH, 7OH, 8OH Hauptstränge
5ON, 6ON, 7ON, 8ON Nebenstränge
51 , 61 , 71 , 81 erste Turbinen
52, 62, 72, 82 zweite Turbinen
53, 63, 73, 83 Generatoren
54, 64, 74, 84 Teilwellen
55, 65, 75| , 75||, 85 Teilwellen
56, 66, 76, 86 Kupplungen
57, 87| erste Bremseinrichtungen
67, 77 als Generatoren ausgeführte erste Bremseinrichtungen
87„ zweite Bremseinrichtung
58, 78|, 78n, 88| , 88n Teilwellen
59, 79, 89| , 89n Kupplungen
130 Generator
130L Läufer des Generators
130s Stator des Generators
134 Stromleitung zu externem Stromnetz
150 Erregerkreis
151 Erregertransformator
151p Primärseite des Erregertransformators
151S Sekundärseite des Erregertransformators
152 Gleichrichter
152Λ Anodenseite des Gleichrichters 152« Kathodenseite des Generators
154, 155, 156 Leiter
160|, 16On weiterer elektrischer Verbraucher, Lastwiderstand
160-X und 160-Y alternative Anordnung der weiteren elektrischen Verbraucher
1611, 161 M Schalter
230 Generator
232 Netztransformator 233 Unterbrechungsschalter
234 Stromleitung
235 externes Stromnetz
236 internes Stromnetz
237 externes Stromnetz 240 statischer Frequenzumrichter (SFC)
241 Umgehungsleitung
242 Trennschalter
243 Abzweigleitung
244 Transformator
G Generatoranlage

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum optimierten Anfahren eines mit einem Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH, 80H) koppelbaren Nebenstrangs (5ON, 6ON, 7ON, 80N) einer Turbinenanlage (50, 60, 70, 80), wobei der Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH,
80H) wenigstens eine erste Turbine (51 , 61 , 71 , 81 ) sowie einen mit der ersten Turbine antriebsverbundenen Generator (53, 63, 73, 83, 130) und der Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) wenigstens eine zweite Turbine (52, 62, 72, 82) umfasst, der Nebenstrang mit dem Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH, 80H) koppelbar ist und die Turbinenanlage ferner eine erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87ι) umfasst, mit der in einem von dem Hauptstrang entkoppelten Zustand des Nebenstrangs (5ON, 6ON, 7ON, 80N) ein Bremsmoment auf den Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) aufbringbar ist, welches Verfahren umfasst, Hauptstrang und Nebenstrang im voneinander entkoppelten Zustand anzufahren, und nach dem Anfahren des Hauptstrangs und des Nebenstrangs den Nebenstrang mit dem Hauptstrang zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, dass dem Nebenstrang während des Anfahrens des Nebenstrangs mittels der ersten Bremseinrichtung ein Bremsmoment aufgeprägt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anfahren des Hauptstrangs und des Nebenstrangs der Nebenstrang vom Hauptstrang entkoppelt wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrang und der Nebenstrang zeitgleich angefahren werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Hauptstrang der Turbinenanlage und zu einem späteren Zeitpunkt der Nebenstrang der Turbinenanlage angefahren wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsmoment regelbar ist.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Anfahrens des Nebenstrangs Fluid- und Materialtemperaturen der Turbine des Nebenstrangs ermittelt und in einer
Anfahrregelung berücksichtigt werden.
7. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) zum Auf- bringen des Bremsmoments mit dem Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) wirkverbunden wird.
8. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) eine Welle (55, 65, 75, 85) umfasst und die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) zum
Aufbringen des Bremsmoments mit der Welle (55, 65, 75, 85) wirkverbunden wird.
9. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) zum Aufbringen eines Bremsmoments wahlweise mit dem Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) oder mit dem Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH, 80H) wirkverbunden wird.
10. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) sowohl mit dem Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) als auch zeitgleich mit dem Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH, 80H) wirkverbunden wird.
11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung des Bremsmoments der ersten Bremseinrichtung mittels einem zwischen der ersten Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) und dem Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) und/oder zwischen der ersten Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) und dem Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH,
80H) angeordneten Mittel zur Veränderung der Aufteilung des Bremsmoments der ersten Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) verändert wird.
12. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) eine Welle (55, 65, 75, 85) umfasst und die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) zur Erzeugung der Wirkverbindung mit der Welle (55, 65, 75, 85) des Nebenstrangs (5ON, 6ON, 7ON, 80N) drehfest oder mit Schlupf verbunden wird.
13. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) von dem Nebenstrang (5ON, 6ON, 7ON, 80N) zur Trennung der Wirkverbindung entkoppelt wird.
14. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (51 , 61 , 71 , 81 ) eine Gasturbine ist und die zweite Turbine (52, 62, 72, 82) eine Dampfturbine ist.
15. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanlage (50, 60, 70, 80) eine zweite Bremseinrichtung (87n) umfasst, mittels derer im entkoppelten Zustand des Nebenstrangs (5ON, 6ON, 7ON, 80N) ein Bremsmoment auf den Hauptstrang (5OH, 6OH, 7OH, 80H) aufgebracht wird.
16. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) und/oder die zweite Bremseinrichtung (87n) eine Fluidbremse umfasst.
17. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) und/oder die zweite Bremseinrichtung (87n) eine elektrische Bremse, insbesondere eine Wirbelstrombremse oder einen Generator mit statischem Frequenz- Umrichter, umfasst.
18. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) und/oder die zweite Bremseinrichtung (87n) eine mechanische Bremse umfasst.
19. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 871) und/oder die zweite Bremseinrichtung (87n) jeweils einen Generator (130) sowie eine Generatorbeschaltung zur Beschaltung des Generators ( 130) umfasst, wobei der Generator (130) einen Stator (130s) und einen Läufer (13OL) und die Generatorbeschaltung einen Erregerkreis (150) umfasst, über den der Stator (130s) und der Läufer (13OL) miteinander verbunden sind, und zur Fremderregung des Läufers (13OL) von dem Stator (130s) eine elektrische Leistung abgegriffen und über den Erregerkreis (150) dem Läufer (13OL) zugeführt wird, wobei zusätzlich wenigstens ein weiterer elektrischer Verbraucher (160|, 16On) angeordnet ist, der zur Erhöhung des Bremsmoments dem Erregerkreis (150) zugeschaltet wird.
20. Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bremseinrichtung (57, 67, 77, 87|) und/oder die zweite Bremseinrichtung (87n) eine Generatoranlage (G) mit einem Generator (230), der zur Stromerzeugung mit einer Turbine antriebsverbunden ist, und einem Transformator (232), der primärseitig mit dem Generator (230) und sekundärseitig mit einem internen Stromnetz (236) oder einem externen Stromnetz (235) verbunden ist, und einem Mittel zur Frequenzanpassung (240), das zwischen dem Generator (230) und dem Transformator (232) zuschaltbar angeordnet ist, umfasst.
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