WO2007006744A2 - Dampfturbine, dampfturbinenanordnung, dampfturbinenanlage und verfahren zum betrieb einer dampfturbinenanordnung - Google Patents

Dampfturbine, dampfturbinenanordnung, dampfturbinenanlage und verfahren zum betrieb einer dampfturbinenanordnung Download PDF

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WO2007006744A2
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steam
turbine
temperature
shaft
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Andreas FELDMÜLLER
Detlef Haje
Kai Wieghardt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the invention relates to a steam turbine having a first shaft for arrangement as Mapturbine in a steam turbine arrangement and a steam turbine with a second shaft for arrangement as a secondary turbine in a steam turbine arrangement and a steam turbine arrangement with a first steam turbine and at least one further, the first steam turbine downstream steam turbine.
  • the invention further relates to a steam turbine plant and a method for operating a steam turbine plant.
  • HMN systems Hochdurck medium-pressure and low-pressure systems
  • steam turbine installations having a steam turbine assembly in the form of a strand from a first high pressure steam turbine, a downstream intermediate pressure steam turbine and a downstream of this low pressure steam turbine.
  • the invention begins, the task of which is to provide a steam turbine and a steam turbine arrangement and a steam turbine plant and a method for operating a steam turbine plant, which is designed technically safe and without overdimensioning nevertheless for highest steam conditions. 200409121
  • a steam turbine having a first shaft for arrangement as the first turbine in a steam turbine arrangement in which the first turbine in the form of a high-temperature steam turbine is designed to be exposed to steam at temperatures completely above or at a first material-relevant limit temperature , and a downstream connected to the first shaft gearbox is connected.
  • the second turbine is designed in the form of a ⁇ teltemperatur steam turbine for applying steam at temperatures completely below or at a materialre ⁇ relevant limit temperature, and the connected to the second shaft gear is connected upstream.
  • the invention leads to a steam turbine arrangement having a first steam turbine and at least one further steam turbine downstream of the first steam turbine, in which according to the invention the first steam turbine is a high-temperature steam turbine mentioned above with a first shaft for arrangement as the first turbine and one second steam turbine is an above-mentioned medium-temperature steam turbine with a second shaft for arrangement as a second turbine ⁇ , and the transmission connects the first shaft and the second shaft.
  • the invention has recognized that the above-mentioned Pro ⁇ problems in conventional, are in principle be avoided for high steam conditions designed steam turbines and / or steam turbine arrangements, when a steam turbine (DT) either - in a first case - structures for pressurizing with steam at temperature completely is designed above or at a material-relevant temperature limit or - in a second case - for exposure to steam at temperatures completely below or at a material-relevant limit temperature 200409121
  • the invention is based on the consideration that it is possible to design a steam turbine arrangement such that highest steam conditions can be "intercepted" by a first turbine in a steam turbine arrangement, namely by designing a high-temperature steam turbine to be exposed to steam at temperatures. which are completely above or at a first material-relevant limit temperature both during initiation, expansion and discharge. Namely, such an initial turbine can then be produced casually with higher-grade materials (in particular steels), ie all the major components of such a high-temperature steam turbine as the first turbine can and should be manufactured consistently and consistently with higher-quality materials. Areas below the first material-relevant limit temperature are at least largely absent in the area of large components.
  • the design of the secondary turbine in the form of a medium-temperature steam turbine for the application of steam at temperatures completely below or at ei ⁇ ner second material-relevant temperature limit is achieved 200409121
  • the secondary turbine at least in terms of its large components, can be designed constructively with conventional materials in all areas. It is technically, in particular with regard to Mate ⁇ rial and construction, safely and accurately designed for standard steam ⁇ conditions and avoids any Matterdimensionie ⁇ tion.
  • First turbine and the second turbine is connected downstream of the first turbine connected to the first shaft gearbox, or the second turbine connected upstream of the second shaft Ge ⁇ gearbox.
  • the transmission connects the first shaft to the second shaft.
  • Such a steam turbine arrangement according to the new concept can be realized without technical danger potential and without technical oversizing, even at the highest steam conditions.
  • This is achieved according to the knowledge of the invention in that the highest steam conditions, i. H. in particular, steam is "intercepted" at temperatures completely above or at a first material-relevant limit temperature from the first turbine and thereafter only lower steam conditions, d. H. in particular only steam at temperatures completely below or at a second material-relevant limit temperature, be absorbed by the secondary turbine.
  • the thermal flexibility of such a steam turbine arrangement proves to be particularly advantageous in transient operation.
  • the low low-cycle fatigue (LCF) strength of thick-walled components made of higher quality materials is in conventional steam turbines, which in addition to the higher quality materials also have conventional materials, leading the transient.
  • the steam turbine arrangement according to the present concept thus proves to be safe and suitable not only in stationary but also in transient operation. 200409121
  • the first material relevant boundary ⁇ temperature is preferably in a range between 500 0 C and 630 0 C.
  • a range between 500 0 C and 600 0 C is provided.
  • Particularly suitable 570 0 C or 580 0 C have proven here.
  • all constitutional ⁇ can components based on higher order materials in the form of superalloy materials are carried out. These are mainly nickel-based materials, cobalt-based materials or similar non-iron-based steels.
  • the first materialrele ⁇ -relevant limit temperature may be from 590 0 C to 630 0 C, the maximum operating temperature depending on the type and composition of the superalloy material at about 700 0 C to
  • the first material-relevant limit temperature is then preferably in a range of 500 0 C to 570 0 C, wherein the maximum Be ⁇ operating temperature 630 0 C should not exceed. 200409121
  • the Clearturbine a high pressure expansion section and a medium pressure expansion section, which in a first riante Va ⁇ may be housed in separate housings.
  • a combined high pressure intermediate pressure steam turbine (HD / MD-DT) turns with a ge ⁇ common housing for the building and Mitteltikexpansionsab- cut to be very particularly advantageous.
  • the second materialrele ⁇ -relevant limit temperature is preferably in a range between 630 0 C and 600 0 C.
  • z have itself.
  • B. 600 0 C or 580 0 C proved to be particularly advantageous.
  • all large components based on customary steels, in particular based on iron-based steels, and here especially expediently on the basis of 9-12% chromium steels can be carried out.
  • the secondary turbine is designed in the form of a combined high-pressure / medium-pressure steam turbine (HD / MD-DT).
  • this is carried out in form of a high-temperature, medium Tempe ⁇ temperature-low-temperature steam turbine strand WO at the Clearturbine in the form of a combined HD / MD-DT is formed and the second turbine in the form of a combined HD / MD-DT is formed, wherein a first shaft of the high-temperature steam turbine ⁇ and a second shaft of the medium tempera ⁇ tur steam turbine are connected via a transmission.
  • the low-temperature steam turbine connected downstream of the medium-temperature steam turbine is designed as a low-pressure steam turbine (ND-DT).
  • ND-DT low-pressure steam turbine
  • a separate ND-DT can be omitted or carried out with shortened expansion section.
  • the invention further leads to a steam turbine plant with a steam turbine arrangement of the type explained above and a steam turbine periphery with a number of line and / or collecting components for the application of superheated steam.
  • an initial turbine in the form of a high-temperature steam turbine with steam at temperatures completely above or at a first material-relevant limit temperature is acted upon;
  • a secondary turbine in the form of a medium-temperature steam turbine is supplied with steam at temperatures completely below or at a second material-relevant limit temperature; and
  • - a speed of a first shaft of the first turbine is translated to a speed of a second shaft of the second turbine via a transmission.
  • the rotational speed of the first shaft is higher than the rotational speed of the second shaft.
  • a faster running this way Warturbine can therefore be made more compact in comparison ⁇ equal to a slower rotating second turbine.
  • the smaller component dimensions in the first turbine lead advantageously to a smaller amount of higher quality
  • FIG. 1 shows a first preferred embodiment of a steam turbine arrangement in the form of a high-temperature / medium-temperature / low-temperature steam turbine train
  • FIG. 2 shows a second embodiment similar to that in FIG. 1, in which the modules of a combined DT are each arranged differently;
  • FIG. 3 shows an enthalpy / entropy diagram which shows the expansion of the steam in a steam turbine arrangement according to FIG.
  • FIG 1 quantified.
  • FIG. 1 shows a high-temperature / medium-temperature / low-temperature steam turbine arrangement in the form of a strand as part of a steam turbine plant 10, which also has a steam turbine periphery 3 with a number of line and / or collecting components, eg. B. a heat exchanger 5, in particular in the form of a superheater, lines 7 or Venti ⁇ len 9 or other boilers or collection components, not shown, for the application of superheated steam.
  • the steam parameters in terms of pressure, temperature or mass flow are given in detail on the lines 7. 200409121
  • I has a Clearturbine 11 in the form of a high temperature steam turbine, a second turbine 12 in the form of a Mitteltem ⁇ peraturdampfturbine and a third steam turbine 13 in the form of a low-temperature steam turbine.
  • the strand is thus formed in the form of a high-temperature / medium-temperature / low-temperature steam turbine.
  • Both the high-temperature steam turbine and the medium-temperature steam turbine are designed in the form of a combined high-pressure / medium-pressure steam turbine (HD / MD-DT), and a first shaft of the high-temperature steam turbine and a second shaft of the medium-temperature steam turbine. Steam turbine are connected via a transmission. However, according to the concept of the invention, the high-temperature steam turbine is to be charged with
  • a transmission 15 connects the first shaft 17 of the first turbine
  • the first shaft 17 and the second shaft 19 are each coupled via a Kupp ⁇ ment 18 to the transmission 15.
  • the first turbine 11 is thus connected to the first shaft 17 connected gear 15 after ⁇ .
  • the second turbine is connected upstream of the transmission 19 connected to the second shaft 19.
  • the second turbine 12 and the third steam turbine 13 a common ⁇ same shaft 16, 19.
  • the first turbine 11 is in this embodiment form as kombi ⁇ ned high-pressure / medium-pressure steam turbine (HD / MD-DT) for Be ⁇ aufschlagung with steam at temperatures completely above or at a first material-relevant temperature limit 200409121
  • the high-pressure module is designated HPl.
  • the With ⁇ teldruckmodul is denoted by IPL.
  • the secondary turbine is in the present embodiment also in the form of a combined HD / MD-DT, but formed for exposure to steam at temperatures completely below or at a second material-relevant limit temperature.
  • the HD module is labeled HP2.
  • the MD module is labeled IP2.
  • the modules of the third (low-pressure) steam turbine 13 are designated by LP.
  • the new concept is in this embodiment form of a steam turbine plant 10 of FIG 1, the first turbine 11 for Be ⁇ aufschlagung with steam at temperatures completely above or at a first material relevant temperature limit in a range between 550 0 C and 600 0 C - namely 580 0 present C - designed.
  • the first turbine 11 has a steam inlet for introducing steam at an inlet temperature above a value from the range of 680 0 C to 700 0 C - vorlie ⁇ ing namely 700 0 C and a steam outlet for the discharge of steam at an outlet temperature below a value in the range of 630 0 C to 600 0 C - namely in the present case 570 0 C - on.
  • the HD module HPl is supplied with steam at 700 0 C at the entrance, which cools in the course of expansion and discharged at a temperature of 570 0 C at the output of the HD module HPl.
  • a usually high pressure above 300 bar drops to a value above 150 bar. In the present case, the pressure drops from 350 bar at the inlet to a pressure of 180 bar at the outlet.
  • the steam is introduced at the steam inlet at an inlet temperature of 720 0 C, wherein the steam cools in the course of expansion, so that at a steam outlet in the discharge of the 200409121
  • the extended directed from the HPl module steam is introduced and in the HP2 module of the second turbine 12 after passing through the HP2 module of the second turbine 12 and a superheater 5 in the just described manner, the IPL module performs the Clearturbine supplied ⁇ .
  • the steam discharged from the IPI module is supplied to the IP2 module of the secondary turbine 12.
  • a steam inlet for the introduction of steam at an entry temperature above a value from the range from 550 0 C to 630 0 C and a steam outlet for discharging steam at an initial temperature below a value from the range of 430 0 C to 410 0 C on.
  • the output-side steam temperature of HP2 module is 410 0 C
  • the steam is usually expanded from a pressure above 150 bar to a pressure above 50 bar, namely in the present case from 180 bar to 64 bar.
  • the vapor expands from a pressure above 20 bar to a pressure above 3 bar, namely in the present case from 32 bar to 5 bar.
  • the steam is thus discharged from the IP2 module of the second turbine 12 and fed to the low-pressure turbine 13.
  • Such a low-pressure steam turbine 13 is generally designed for Beauf ⁇ regain with steam at a temperature completely below 450 0 C.
  • the discharge of the steam from the low-pressure turbine is usually carried out at a pressure below ⁇ 1 bar. 200409121
  • FIG. 2 shows a second preferred embodiment of a steam turbine plant 20 with a steam turbine arrangement 2 and a steam turbine periphery 4 for application of hot ⁇ steam, which differs from the steam turbine plant 10 according to the first embodiment of FIG 1 only by the arrangement of the HD / MD / ND Modules to each other and the relevant pressure and temperature parameters.
  • these parameters are within the limits explained in connection with FIG. 1.
  • the reference numerals used in FIG 2 are therefore the same as for functionally equivalent components of Figure 1, wherein the Clearturbine 11 ⁇ again as high-temperature steam turbine in the form of a combined HD / MD DT is formed and the second turbine 12 ⁇ as Mitteltempera- tur steam turbine is formed in the form of a combined HD / MD-DT.
  • the first turbine 11 ⁇ is designed to be exposed to steam at temperatures completely above or at a materialre ⁇ relevant limit temperature and the secondary turbine 12 ⁇ is formed for exposure to steam at temperatures completely below or at a second material-relevant limit temperature.
  • the first material-relevant limit temperature lies in a range between 550 0 C and 600 0 C, namely in the present case at 580 0 C.
  • the second material-relevant limit temperature is in a range between 630 0 C and 600 0 C, namely in the present case at 600 0 C.
  • the hot steam is introduced in the HPl module at a steam inlet at 700 0 C and 375 bar and then expands to a pressure of 185 bar and 580 0 C at the steam outlet. In this form it is introduced at a steam inlet of the HP2 module and expands there. After a superheater 5, the steam is introduced at a steam inlet at 65 bar and 720 0 C in the IPl module of the first turbine 11 ⁇ and expands there to a pressure of 22 bar at 600 0 C. In this form, he is the IP2 module the second turbine 12 ⁇ fed and expanded there to 9 bar and 420 0 C. In this form it is both modules LP of the low pressure turbine 13 supplied ⁇ and expanded there to a pressure of 50 mbar at a residual moisture content of 7.1%. 200409121
  • FIG. 3 shows the vapor parameters explained in connection with FIG. 1 in a diagram in which the enthalpy in kJ / kg is shown via the entropy in kJ / (kg-K) in the course "D".
  • Corresponding steam conditions of combined cycle applications are shown in Ver ⁇ run "combined cycle”. It shows that the expansion task D of a steam turbine set with steam states of 350 bar / 700 0 C and 60 bar / 720 0 C is close to the expansion task GuD of combined cycle applications.
  • the corresponding values for CCP applications are today at 150 bar / 565 0 C and 28 bar / 565 0 C.
  • material-relevant limit temperature in particular the usual steels, are exposed, must be made of particularly high quality ⁇ valued materials.
  • the use of higher quality materials inevitably leads to welds between a higher quality material and a common material, eg. Steel.
  • acted turbine ranges from high-quality work ⁇ usually have to be carried materials below the material relevant limit temperature.
  • a steam turbine assembly 1, 2 still be able to cost-effectively at the highest steam conditions, technically not oversized and technically safe operation is a Clearturbine 11, 11 a high-temperature steam turbine for the application of steam at temperatures completely ⁇ in shape above or rated at a first Mate rialrelevanten limit temperature , and a second turbine 12, 12 ⁇ designed in the form of a medium-temperature steam turbine for application to steam at temperatures completely below or at a second material-relevant temperature limit, wherein between the turbines 11, 11 ⁇ 12, 12 ⁇ a transmission 15 is connected.

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Abstract

Zur Erreichung höherer Wirkungsgrade werden Dampfturbinen bei immer höheren Dampftemperaturen betrieben. Dampfturbinen-Großkomponenten, die einer Betriebstemperatur oberhalb einer materialrelevanten Grenztemperatur, die insbesondere übliche Stähle betrifft, ausgesetzt sind, müssen aus besonders hochwertigen Werkstoffen ausgeführt werden. Die Verwendung immer höherwertigerer Werkstoffe führt zwangsläufig zu Schweißnähten zwischen einem hochwertigeren Werkstoff und einem üblichen Werkstoff. Aus konstruktiven Gründen müssen üblicherweise auch unterhalb der materialrelevanten Grenztemperatur beaufschlagte Turbinenbereiche aus hochwertigen Werkstoffen ausgeführt werden. Um eine Dampfturbinenanordnung (1, 2) dennoch bei höchsten Dampfzuständen kostengünstig, technisch nicht überdimensioniert und technisch sicher betreiben zu können, ist eine Erstturbine (11, 11`) in Form einer Hochtemperaturdampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt, und eine Zweitturbine (12, 12`) in Form einer Mitteltemperaturdampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt, wobei zwischen die Turbinen (11, 11` 12, 12`) ein Getriebe (15) geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Dampfturbine, Dampfturbinenanordnung, Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einer ersten Welle zur Anordnung als Erstturbine in einer Dampfturbinenanordnung sowie eine Dampfturbine mit einer zweiten Welle zur Anordnung als Zweitturbine in einer Dampfturbinenanordnung sowie eine Dampfturbinenanordnung mit einer ersten Dampfturbine und mindestens einer weiteren, der ersten Dampfturbine nachgeordneten Dampfturbine. Die Erfindung betrifft weiter eine Dampfturbinenanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage .
Um bei einer Dampfturbinenanlage zu höheren Wirkungsgraden zu gelangen, wird diese in zunehmendem Maße bei immer höheren Dampfparametern betrieben. Dies betrifft insbesondere so ge¬ nannte HMN-Anlagen (Hochdurck-Mitteldruck-Niederdruck-Anla- gen), d. h. Dampfturbinenanlagen mit einer Dampfturbinenanordnung in Form eines Strangs aus einer ersten Hochdruckdampfturbine, einer nachgeschalteten Mitteldruckdampfturbine und einer dieser nachgeschalteten Niederdruckdampfturbine. Bei Betrieb einer Dampfturbine einer solchen Anlage bei höch- sten Dampfzuständen, insbesondere mit Heißdampf einer Temperatur oberhalb einer materialrelevanten Grenztemperatur, ist man derzeit in der Situation, dass für eine Großkomponente einer solchen Dampfturbine zwingend höherwertigere Stähle eingesetzt werden müssen, um die Betriebssicherheit zu ge- währleisten.
Üblicherweise wird man Turbinenanordnungen so ausführen, dass Komponenten mit gleichem Betriebsverhalten auf einer Welle miteinander gekoppelt werden, wie dies in der DE 198 43 441 Al erläutert ist. Um Getriebe und Kupplungen zu vermeiden, wird man in der Regel vermeiden, Komponenten mit unterschiedlichem Betriebsverhalten in einer Anordnung mit einer gemeinsamen Welle zu realisieren. 200409121
Zwangsläufig entstehen so Probleme bei der Verbindung von hö- herwertigeren Werkstoffen mit üblichen Materialien einer Dampfturbine, die bislang ausreichend waren, um den Betrieb einer Dampfturbine bei normalen Dampfzuständen zu sichern. Nachteilig ist z. B., dass aufgrund von Schweißnähten zwi¬ schen höherwertigeren Werkstoffen und üblichen Materialien ungleiche Schweißnähte entstehen. Insbesondere Schweißverbin¬ dungen zwischen Nickel-Basis-Werkstoffen und eisenbasierten Stählen verursachen dabei hohe Schwierigkeiten und Kosten bei der Herstellung. Hinzu kommt, dass aus konstruktiven Gründen oftmals nicht nur Großkomponenten aus den höherwertigeren Werkstoffen gefertigt werden müssen, sondern auch Bereiche einer Dampfturbine, deren Temperaturniveau im Grunde unter- halb der materialrelevanten Grenztemperatur liegt, die aber dennoch aus konstruktiven Gründen mit den höherwertigeren Werkstoffen ausgeführt werden müssen.
In dem Fall führt dies bei Dampfturbinen und Dampfturbinenan- lagen, die gemäß der oben geschilderten derzeitigen Situation nunmehr auch für höchste Dampfzustände ausgelegt und genutzt werden sollen, entweder zu technischen Schwierigkeiten und Mehraufwendungen oder zu einer technischen Überdimensionierung der Turbine.
Wünschenswert wäre es, bei einer Dampfturbine das Miteinander von höherwertigeren Stählen und üblichen Materialien weitgehend zu vermeiden, um eine technische Überdimensionierung oder technische Schwierigkeiten und Mehraufwendungen auszu- schließen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Dampfturbine und eine Dampfturbinenanordnung sowie eine Dampfturbinenanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage anzugeben, die technisch sicher und ohne Überdimensionierung dennoch für höchste Dampfzustände ausgelegt ist. 200409121
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe zunächst von einer Dampfturbine mit einer ersten Welle zur Anordnung als Erstturbine in einer Dampfturbinenanordnung gelöst, bei der erfindungsgemäß die Erstturbine in Form einer Hochtemperatur- Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt ist, und der ein mit der ersten Welle verbundenes Getriebe nachgeschaltet ist.
In diesem Zusammenhang führt die Erfindung hinsichtlich der
Vorrichtung auf eine Dampfturbine mit einer zweiten Welle zur Anordnung als Zweitturbine in einer Dampfturbinenanordnung, bei der erfindungsgemäß die Zweitturbine in Form einer Mit¬ teltemperatur-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer materialre¬ levanten Grenztemperatur ausgelegt ist, und der ein mit der zweiten Welle verbundenes Getriebe vorgeschaltet ist.
Schließlich führt die Erfindung hinsichtlich der Vorrichtung auf eine Dampfturbinenanordnung mit einer ersten Dampfturbine und mindestens einer weiteren, der ersten Dampfturbine nach- geordneten Dampfturbine, bei der erfindungsgemäß die erste Dampfturbine eine oben genannte Hochtemperatur-Dampfturbine mit einer ersten Welle zur Anordnung als Erstturbine ist und eine zweite Dampfturbine eine oben genannte Mitteltemperatur- Dampfturbine mit einer zweiten Welle zur Anordnung als Zweit¬ turbine ist, und das Getriebe die erste Welle und die zweite Welle verbindet.
Die Erfindung hat erkannt, dass die eingangs genannten Pro¬ bleme bei üblichen, für höchste Dampfzustände ausgelegten Dampfturbinen und/oder Dampfturbinenanordnungen prinzipiell vermeidbar sind, wenn eine Dampfturbine (DT) entweder - in einem ersten Fall - zur Beaufschlagung mit Dampf bei Tempera- turen vollständig oberhalb oder bei einer materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt ist oder aber - in einem zweiten Fall - zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer materialrelevanten Grenztem- 200409121
peratur ausgelegt ist. Die erste materialrelevante Grenztem¬ peratur und die zweite materialrelevante Grenztemperatur kön¬ nen, aber müssen nicht, identisch sein. In der Regel gibt es einen Bereich von materialrelevanten Grenztemperaturen, die im Falle einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur und im Falle einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur leicht unterschiedlich sind.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es möglich ist, eine Dampfturbinenanordnung so auszubilden, dass höchste Dampfzustände von einer Erstturbine in einer Dampfturbinenanordnung "abgefangen" werden können, nämlich dadurch, dass eine Hochtemperatur-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen ausgelegt ist, die sowohl bei Einleitung, Expansion als auch Ausleitung vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur liegen. Eine solche Erstturbine kann dann nämlich zwanglos mit höherwerti- geren Werkstoffen (insbesondere Stählen) gefertigt werden, d. h., alle Großkomponenten einer solchen Hochtemperatur- Dampfturbine als Erstturbine können und sollten durchgängig und konsequent mit höherwertigen Werkstoffen gefertigt werden. Bereiche unterhalb der ersten materialrelevanten Grenztemperatur liegen jedenfalls im Bereich der Großkomponenten weitestgehend nicht vor. Dadurch werden nicht nur artunglei- che Schweißnähte mit dem damit verbundenen Fertigungsaufwand vermieden, sondern eine technische und konstruktive Überdi¬ mensionierung ist ebenfalls weitgehend vermieden, da die Erstturbine notwendigerweise vollständig für die höchsten Dampfzustände ausgelegt sein sollte. Die Auslegung betrifft dabei nicht nur Dimensionierung, Arbeitsmediumsführung im
Strömungskanal sowie Anordnung und Dimensionierung von Rotor und Schaufel, sondern im vorliegenden Fall insbesondere die Materialauswahl und die materialgerechte Konstruktion.
Entsprechend wird durch die Auslegung der Zweitturbine in Form einer Mitteltemperaturdampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei ei¬ ner zweiten materialrelevanten Grenztemperatur erreicht, dass 200409121
praktisch keine Fügestellen zwischen höherwertigeren Stählen und üblichen Materialien ausgeführt werden müssen. Die Zweitturbine kann, jedenfalls hinsichtlich ihrer Großkomponenten, in allen Bereich konstruktiv mit üblichen Materialien ausge- legt sein. Sie ist technisch, insbesondere hinsichtlich Mate¬ rial und Konstruktion, sicher und exakt auf übliche Dampf¬ zustände ausgelegt und vermeidet jegliche Überdimensionie¬ rung.
Zur Anpassung von ggf. unterschiedlichen Drehzahlen der
Erstturbine und der Zweitturbine ist der Erstturbine ein mit der ersten Welle verbundenes Getriebe nachgeschaltet, bzw. der Zweitturbine ein mit der zweiten Welle verbundenes Ge¬ triebe vorgeschaltet. Im Rahmen der Dampfturbinenanordnung verbindet das Getriebe die erste Welle mit der zweiten Welle.
Eine solche Dampfturbinenanordnung gemäß dem neuen Konzept ist ohne technisches Gefahrenpotential und ohne technische Überdimensionierung selbst bei höchsten Dampfzuständen reali- sierbar. Dies wird gemäß der Erkenntnis der Erfindung dadurch erreicht, dass die höchsten Dampfzustände, d. h. insbesondere Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur von der Erstturbine "abgefangen" werden und danach nur niedrigere Dampfzustände, d. h. insbesondere nur Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur, von der Zweitturbine aufgenommen werden.
Darüber hinaus erweist sich die thermische Flexibilität einer solchen Dampfturbinenanordnung im transienten Betrieb als besonders vorteilhaft. Denn die geringe Low-Cycle-Fatigue (LCF) -Festigkeit dickwandigerer Bauteile aus höherwertigeren Werkstoffen ist bei üblichen Dampfturbinen, die neben den höherwertigeren Werkstoffen auch übliche Werkstoffe aufweisen, führend für die Transienten. Im Gegensatz zu üblichen Dampf- turbinenanordungen erweist sich die Dampfturbinenanordnung gemäß dem vorliegenden Konzept also nicht nur im stationären sondern auch im transienten Betrieb als sicher und bedarfsge- 200409121
recht dimensioniert und flexibel. Dies wird auf überraschende Weise nicht trotz sondern gerade wegen einer exakten Aufteilung der höchsten Dampfzustände einerseits und der niedrige¬ ren Dampfzustände andererseits auf die Erstturbine einerseits und die Zweitturbine andererseits erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, die Erstturbine sowie die Zweittur- bine und damit die Dampfturbinenanordnung im Rahmen des neuen Konzepts zu realisieren.
Bei der Erstturbine liegt die erste materialrelevante Grenz¬ temperatur vorzugsweise in einem Bereich zwischen 500 0C und 630 0C. Bei einer solchen Erstturbine wird also eine Dampf¬ temperatur bei Einleitung, Expansion und Ausleitung des Dampfes vollständig oberhalb einer Temperatur aus dem Bereich zwischen 500 0C und 630 0C gehalten. Insbesondere ist ein Bereich zwischen 500 0C und 600 0C vorgesehen. Als besonders geeignet haben sich hier 570 0C oder 580 0C erwiesen. Bei einer solchen Erstturbine können vorzugsweise alle Großkom¬ ponenten auf Basis von höherwertigeren Werkstoffen in Form von Superalloy-Werkstoffen ausgeführt werden. Dies sind vor allem Nickel-Basiswerkstoffe, Kobalt-Basiswerkstoffe oder ähnliche nicht eisenbasierte Stähle.
In diesem Fall kann beispielsweise die erste materialrele¬ vante Grenztemperatur 590 0C bis 630 0C betragen, wobei die maximal zulässige Betriebstemperatur je nach Art und Zusam- mensetzung des Superalloy-Werkstoffes bei etwa 700 0C bis
760 0C liegt. Es ist aber auch möglich, die Erstturbine auf konventionelle Weise im Wesentlichen aus eisenbasierten Stählen (ggf. mit bis zu 12% Chromanteil) zu fertigen. Die erste materialrelevante Grenztemperatur liegt dann vorzugsweise in einem Bereich von 500 0C bis 570 0C, wobei die maximale Be¬ triebstemperatur 630 0C nicht übersteigen sollte. 200409121
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist die Erstturbine einen Hochdruck-Expansionsabschnitt und einen Mitteldruck-Expansionsabschnitt auf, die in einer ersten Va¬ riante in getrennten Gehäusen untergebracht sein können. In einer zweiten Variante erweist sich hier eine kombinierte Hochdruck-Mitteldruck-Dampfturbine (HD/MD-DT) mit einem ge¬ meinsamen Gehäuse für den Hoch- und Mitteldruckexpansionsab- schnitt als ganz besonders vorteilhaft.
Hinsichtlich der Zweitturbine liegt die zweite materialrele¬ vante Grenztemperatur vorzugsweise in einem Bereich zwischen 630 0C und 600 0C. Hier haben sich z. B. 600 0C oder 580 0C als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei einer solchen Zweit¬ turbine wird das Temperaturniveau bei der Einleitung, Expan- sion und Ausleitung des Dampfes also vollständig unterhalb einer Temperatur aus dem Bereich zwischen 630 0C und 600 0C gehalten. Bei einer solchen Zweitturbine können vorzugsweise alle Großkomponenten auf Basis von üblichen Stählen, insbesondere auf Basis von eisenbasierten Stählen, und hier beson- ders zweckmäßig auf Basis von 9-12%-Chrom-Stählen ausgeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Zweitturbine in Form einer kombinierten Hoch- druck/Mitteldruck-Dampfturbine (HD/MD-DT) ausgebildet.
Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten Dampfturbinenanordnung ist diese in Form eines Hochtemperatur-Mitteltempe¬ ratur-Niedertemperatur-Dampfturbinen-Stranges ausgeführt, wo- bei die Erstturbine in Form einer kombinierten HD/MD-DT gebildet ist und die zweite Turbine in Form einer kombinierten HD/MD-DT gebildet ist, wobei eine erste Welle der Hochtempe¬ ratur-Dampfturbine und eine zweite Welle der Mitteltempera¬ tur-Dampfturbine über ein Getriebe verbunden sind. In einer ganz besonderens bevorzugten Weiterbildung ist die der Mitteltemperatur-Dampfturbine nachgeschaltete Niedertemperatur- Dampfturbine als Niederdruck-Dampfturbine (ND-DT) ausgeführt. In einer bevorzugten Ausführung für einen anderen Anwendungs- 200409121
fall (Gegendruckturbine) kann eine separate ND-DT entfallen oder mit verkürztem Expansionsabschnitt ausgeführt werden.
Die Erfindung führt weiter auf eine Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbinenanordnung der oben erläuterten Art und einer Dampfturbinenperipherie mit einer Anzahl von Leitungs- und/oder Sammelkomponenten zur Beaufschlagung mit Heißdampf.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch die Erfin- düng mit einem Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage gelöst, bei dem erfindungsgemäß: eine Erstturbine in Form einer Hochtemperatur-Dampfturbine mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur beauf- schlagt wird; eine Zweitturbine in Form einer Mitteltemperatur-Dampfturbine mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur beaufschlagt wird; und - über ein Getriebe eine Drehzahl einer ersten Welle der Erstturbine auf eine Drehzahl einer zweiten Welle der Zweitturbine übersetzt wird.
Mit dem hier genannten Verfahren gemäß dem neuen Konzept wer- den insbesondere die oben erläuterten Vorteile hinsichtlich des stationären als auch transienten Betriebs einer Dampfturbinenanlage erreicht.
Insbesondere ist gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbil- düng die Drehzahl der ersten Welle höher als die Drehzahl der zweiten Welle. Eine auf diese Weise schneller laufende Erstturbine kann also kompakter ausgeführt werden im Ver¬ gleich zu einer langsamer drehenden Zweitturbine. Die geringeren Bauteilabmessungen bei der Erstturbine führen dabei vorteilhaft zu einer geringeren Menge von höherwertigeren
Werkstoffen bei der Erstturbine und damit zu einer besonders vorteilhaften Kosteneffizienz bei der Erstturbine und der DT- Anlage . 200409121
Noch weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen und im Detail in Form von Ausführungsbeispielen der Erfindung nachfolgend an- hand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungs¬ beispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
FIG 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Dampfturbinenanordnung in Form eines Hochtemperatur- /Mitteltemperatur-/Niedertemperatur-Dampfturbinen- Strangs,
FIG 2 eine zweite Ausführungsform ähnlich der in FIG 1, bei der die Module einer kombinierten DT jeweils anders angeordnet sind;
FIG 3 ein Enthalpie/Entropie-Diagramm, das die Expansion des Dampfes in einer Dampfturbinenanordnung gemäß
FIG 1 quantifiziert.
FIG 1 zeigt eine Hochtemperatur-/Mitteltemperatur- /Niedertemperatur-Dampfturbinen-Anordnung in Form eines Strangs als Teil einer Dampfturbinenanlage 10, die außerdem eine Dampfturbinenperipherie 3 mit einer Anzahl von Leitungs- und/oder Sammelkomponenten, z. B. einen Wärmetauscher 5, insbesondere in Form eines Überhitzers, Leitungen 7 oder Venti¬ len 9 oder sonstigen nicht dargestellten Kesseln oder Sammel- komponenten, zur Beaufschlagung mit Heißdampf aufweist. Die Dampfparameter hinsichtlich Druck, Temperatur oder Massenstrom sind im Einzelnen an den Leitungen 7 angegeben. 200409121
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Die vorliegende Ausführungsform einer Dampfturbinenanordnung
I weist eine Erstturbine 11 in Form einer Hochtemperaturdampfturbine , eine Zweitturbine 12 in Form einer Mitteltem¬ peraturdampfturbine und eine dritte Dampfturbine 13 in Form einer Niedertemperaturdampfturbine auf. Der Strang ist also in Form einer Hochtemperatur-/Mitteltemperatur- /Niedertemperatur-Dampfturbinen-gebildet .
Sowohl die Hochtemperatur-Dampfturbine als auch die Mittel- temperatur-Dampfturbine ist in Form einer kombinierten Hoch- druck-/Mitteldruck-Dampfturbine (HD/MD-DT) ausgeführt, und eine erste Welle der Hochtemperatur-Dampfturbine und eine zweite Welle der Mitteltemperatur-Dampfturbine sind über ein Getriebe verbunden. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist die Hochtemperaturdampfturbine jedoch zur Beaufschlagung mit
Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet, während die Mitteltemperatur-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet ist. Im Einzelnen stellt sich dies wie folgt dar:
Ein Getriebe 15 verbindet die erste Welle 17 der Erstturbine
II mit der zweiten Welle 19 der Zweitturbine 12. Die erste Welle 17 und die zweite Welle 19 sind jeweils über eine Kupp¬ lung 18 an das Getriebe 15 gekoppelt. Der Erstturbine 11 ist also das mit der ersten Welle 17 verbundene Getriebe 15 nach¬ geschaltet. Der Zweitturbine ist das mit der zweiten Welle 19 verbundene Getriebe 19 vorgeschaltet. Dagegen weisen die Zweitturbine 12 und die dritte Dampfturbine 13 eine gemein¬ same Welle 16, 19 auf. Damit ist gemeint, dass die Zweittur¬ bine 12 und die dritte Dampfturbine 13 durch mechanische Ver¬ bindung auf gleicher Drehzahl betrieben werden.
Die Erstturbine 11 ist bei dieser Ausführungs form als kombi¬ nierte Hochdruck/Mitteldruck-Dampfturbine (HD/MD-DT) zur Be¬ aufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur ge- 200409121
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bildet. Das Hochdruckmodul ist mit HPl bezeichnet. Das Mit¬ teldruckmodul ist mit IPl bezeichnet.
Die Zweitturbine ist bei der vorliegenden Aus führungsform ebenfalls in Form einer kombinierten HD/MD-DT, aber zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet. Das HD-Modul ist mit HP2 bezeichnet. Das MD-Modul ist mit IP2 bezeichnet.
Die Module der dritten (Niederdruck-) Dampfturbine 13 sind mit LP bezeichnet.
Gemäß dem neuen Konzept ist bei dieser Ausführungs form einer Dampfturbinenanlage 10 der FIG 1 die Erstturbine 11 zur Be¬ aufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur in einem Bereich zwischen 550 0C und 600 0C - nämlich vorliegend 580 0C - ausgelegt.
Insbesondere weist die Erstturbine 11 einen Dampfeingang zur Einleitung von Dampf bei einer Eingangstemperatur oberhalb eines Wertes aus dem Bereich von 680 0C bis 700 0C - vorlie¬ gend nämlich 700 0C und einen Dampfausgang zur Ausleitung von Dampf bei einer Ausgangstemperatur unterhalb eines Wertes aus dem Bereich von 630 0C bis 600 0C - nämlich vorliegend 570 0C - auf.
Konkret wird das HD-Modul HPl mit Dampf bei 700 0C am Eingang beaufschlagt, der im Verlaufe der Expansion abkühlt und bei einer Temperatur von 570 0C am Ausgang des HD-Moduls HPl ausgeleitet wird. Dabei sinkt ein üblicherweise hoher Druck über 300 bar auf einen Wert oberhalb von 150 bar. Vorliegend sinkt der Druck von 350 bar am Eingang auf einen Druck von 180 bar am Ausgang. Im Mitteldruckteil IPl erfolgt die Einleitung von Dampf am Dampfeingang bei einer Eingangstemperatur von 720 0C, wobei sich der Dampf im Verlauf der Expansion abkühlt, so dass an einem Dampfausgang bei der Ausleitung des 200409121
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Dampfes eine Ausgangstemperatur bei 580 0C vorliegt. Ein ein- gangsseitiger Druck von 60 bar erniedrigt sich dabei auf einen ausgangsseitigen Druck von 32 bar.
Der aus dem HPl-Modul ausgeleitete Dampf wird in das HP2-Mo- dul der Zweitturbine 12 eingeleitet und nach Durchlaufen des HP2-Moduls der Zweitturbine 12 und eines Überhitzers 5 in der eben erläuterten Weise dem IPl-Modul der Erstturbine zuge¬ führt. Der aus dem IPl-Modul ausgeleitete Dampf wird dem IP2- Modul der Zweitturbine 12 zugeführt.
Gemäß dem neuen Konzept weist also die Zweitturbine 12 einen Dampfeingang zur Einleitung von Dampf bei einer Eingangstemperatur oberhalb eines Wertes aus dem Bereich von 550 0C bis 630 0C auf und einen Dampfausgang zur Ausleitung von Dampf bei einer Ausgangstemperatur unterhalb eines Wertes aus dem Bereich von 430 0C bis 410 0C auf. Vorliegend beträgt die eingangsseitige Dampftemperatur des HP2-Moduls 570 0C und die eingangsseitige Dampftemperatur des IP2-Moduls 580 0C. Die ausgangsseitige Dampftemperatur des HP2-Moduls beträgt 410 0C und die ausgangsseitige Dampftemperatur des IP2-Moduls 320 0C. Im HP2-Modul expandiert der Dampf in der Regel von einem Druck oberhalb von 150 bar auf einen Druck oberhalb von 50 bar, nämlich vorliegend von 180 bar auf 64 bar. Im IP2-Mo- dul expandiert der Dampf von einem Druck oberhalb von 20 bar bis auf einen Druck oberhalb von 3 bar, nämlich vorliegend von 32 bar auf 5 bar.
Bei einem Druck von 5 bar und einer Temperatur von 320 0C wird der Dampf also aus dem IP2-Modul der Zweitturbine 12 ausgeleitet und der Niederdruckturbine 13 zugeführt. Eine solche Niederdruckdampfturbine 13 ist in der Regel zur Beauf¬ schlagung mit Dampf bei einer Temperatur vollständig unterhalb von 450 0C ausgelegt. Die Ausleitung des Dampfes aus der Niederdruckturbine erfolgt in der Regel bei einem Druck un¬ terhalb von 1 bar. 200409121
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FIG 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Dampfturbinenanlage 20 mit einer Dampfturbinenanordnung 2 und einer Dampfturbinenperipherie 4 zur Beaufschlagung mit Hei߬ dampf, die sich von der Dampfturbinenanlage 10 gemäß der er- sten Ausführungsform der FIG 1 lediglich durch die Anordnung der HD/MD/ND-Module zueinander und den maßgeblichen Druck- und Temperaturparametern unterscheidet. Im Übrigen liegen diese Parameter bei der zweiten Aus führungsform der Dampfturbinenanlage 20 aber in den im Zusammenhang mit der FIG 1 er- läuterten Grenzen. Die in FIG 2 verwendeten Bezugszeichen sind deshalb für funktionsgleiche Bauteile mit denen der FIG 1 identisch, wobei die Erstturbine 11 λ wieder als Hochtemperatur-Dampfturbine in Form einer kombinierten HD/MD- DT gebildet ist und die Zweitturbine 12 λ als Mitteltempera- tur-Dampfturbine in Form einer kombinierten HD/MD-DT gebildet ist. Die Erstturbine 11 λ ist zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer materialre¬ levanten Grenztemperatur ausgelegt und die Zweitturbine 12 λ ist zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet. Die erste materialrelevante Grenztemperatur liegt dabei in einem Bereich zwischen 550 0C und 600 0C, nämlich vorliegend bei 580 0C. Die zweite materialrelevante Grenztemperatur liegt dabei in einem Bereich zwischen 630 0C und 600 0C, nämlich vorliegend bei 600 0C.
Der Heißdampf wird im HPl-Modul an einem Dampfeingang bei 700 0C und 375 bar eingeleitet und expandiert dann auf einen Druck von 185 bar und 580 0C am Dampfausgang. In dieser Form wird er an einem Dampfeingang des HP2-Moduls eingeleitet und expandiert dort. Nach einem Überhitzer 5 wird der Dampf an einem Dampfeingang bei 65 bar und 720 0C in das IPl-Modul der Erstturbine 11 λ eingeleitet und expandiert dort auf einen Druck von 22 bar bei 600 0C. In dieser Form wird er dem IP2- Modul der Zweitturbine 12 λ zugeleitet und expandiert dort auf 9 bar und 420 0C. In dieser Form wird er beiden Modulen LP der Niederdruckturbine 13 λ zugeleitet und expandiert dort auf einen Druck von 50 mbar bei einer Restfeuchte von 7,1%. 200409121
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Während sich das neue Konzept als besonders nützlich für die Anwendung betreffend Dampfturbinen gezeigt hat und während das neue Konzept im Detail auch anhand von Ausführungsbei- spielen aus dem Dampfturbinenbereich beschrieben ist, sollte dennoch klar sein, dass das hier verwirklichte und beschrie¬ bene Konzept, wie beansprucht, ebenfalls möglich im Rahmen anderer Anwendungen ist, die außerhalb des reinen Dampfturbi¬ nenbereichs liegen. Beispielsweise könnte das vorgestellte Konzept ebenso Anwendung finden für Gas- und Dampfturbinen- Anlagen (GuD-Anlagen) , was insbesondere in Bezug auf FIG 3 erläutert ist. Auch hier bietet das vorgestellte Konzept die oben im Rahmen von Dampfturbinen erläuterten Vorteile.
FIG 3 zeigt die in Zusammenhang mit FIG 1 erläuterten Dampfparameter in einem Diagramm, bei dem die Enthalpie in kJ/kg über die Entropie in kJ/ (kg-K) im Verlauf "D" gezeigt ist. Entsprechende Dampfzustände von GuD-Anwendungen sind im Ver¬ lauf "GuD" gezeigt. Dabei zeigt sich, dass die Expansions- aufgäbe D eines Dampfturbosatzes mit Dampfzuständen von 350 bar/700 0C und 60 bar/720 0C nahe der Expansionsaufgabe GuD von GuD-Anwendungen liegt. Die entsprechenden Werte bei GuD- Anwendungen liegen heute bei 150 bar/565 0C und 28 bar/565 0C. Es ist absehbar, dass das Temperaturniveau bei GuD-Anwendungen auf 600 0C angehoben wird, was die Expansi¬ onsaufgabe GuD einer GuD-Anwendung noch näher an die Expansionsaufgabe D eines Dampfturbosatzes heranrückt. Aus FIG 3 wird somit klar, dass bei der Expansionsaufgabe von Dampf¬ turbosätzen (D) und GuD-Anwendungen (GuD) die Enthalpiediffe- renz ΔH für den D-Verlauf nahezu doppelt so groß ist, wie die Enthalpiedifferenz ΔHGUD für den GuD-Verlauf ist. D. h. diese Anordnung bietet die Möglichkeit, als Zweitturbine 12, 12 λ eine konventionelle Turbine, wie sie für GuD-Anwendungen zum Einsatz kommt, zu verwenden.
Zur Erreichung höherer Wirkungsgrade werden Dampfturbinen bei immer höheren Dampftemperaturen betrieben. Dampfturbinen- Großkomponenten, die einer Betriebstemperatur oberhalb einer 200409121
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materialrelevanten Grenztemperatur, die insbesondere übliche Stähle betrifft, ausgesetzt sind, müssen aus besonders hoch¬ wertigen Werkstoffen ausgeführt werden. Die Verwendung immer höherwertigerer Werkstoffe führt zwangsläufig zu Schweißnäh- ten zwischen einem hochwertigeren Werkstoff und einem üblichen Werkstoff, z. B. Stahl. Aus konstruktiven Gründen müssen üblicherweise auch unterhalb der materialrelevanten Grenztemperatur beaufschlagte Turbinenbereiche aus hochwertigen Werk¬ stoffen ausgeführt werden. Um eine Dampfturbinenanordnung 1, 2 dennoch bei höchsten Dampfzuständen kostengünstig, technisch nicht überdimensioniert und technisch sicher betreiben zu können, ist eine Erstturbine 11, 11 λ in Form einer Hochtemperaturdampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten mate- rialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt, und eine Zweitturbine 12, 12 λ in Form einer Mitteltemperaturdampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt, wobei zwischen die Turbinen 11, 11 λ 12, 12 λ ein Getriebe 15 geschaltet ist.

Claims

20040912116Patentansprüche
1. Dampfturbine mit einer ersten Welle (17) zur Anordnung als Erstturbine (11, 11 λ) in einer Dampfturbinen-Anordnung (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Erstturbine (11, 11 λ) in Form einer Hochtemperatur-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt ist, und der ein mit der ersten Welle (17) verbundenes Getriebe (15) nachgeschaltet ist.
2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste materialrelevante Grenztemperatur in einem Bereich zwischen 500 0C und 630 0C liegt, insbesondere in einem Be¬ reich zwischen 550 0C und 600 0C, und besonders bevorzugt bei etwa 570 0C oder 580 0C.
3. Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Dampfeingang zur Einleitung von Dampf bei einer Eingangstemperatur oberhalb eines Wertes aus dem Bereich von 680 0C bis 700 0C, insbesondere bei 700 0C oder 720 0C, und einem Dampfausgang zur Ausleitung von Dampf bei einer Ausgangstemperatur unterhalb eines Wertes aus dem Bereich von 630 0C bis 600 0C, insbesondere bei 600 0C oder 580 0C oder 570 0C.
4. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dass die hochtemperatur-beanspruchten Großkomponenten, auf Basis von Superalloy-Werkstoffen ausgeführt sind. 200409121
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5. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatur-beanspruchten Großkomponenten auf Basis von 9-12%-Cr-Stählen ausgeführt sind.
6. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstturbine (11, 11 λ) einen Hochdruck-Expansionsabschnitt und einen Mitteldruck-Expansionsabschnitt aufweist.
7. Dampfturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstturbine (11, 11 λ) in Form einer kombinierten Hoch- druck-/Mitteldruck-Dampfturbine gebildet ist.
8. Dampfturbine mit einer zweiten Welle (19) zur Anordnung als Zweitturbine (12, 12 λ) in einer Dampfturbinen-Anordnung
(1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitturbine (12, 12 λ) in Form einer Mitteltemperatur- Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur ausgelegt ist, und der ein mit der zweiten Welle (19) verbundenes Getriebe (15) vorgeschaltet ist.
9. Dampfturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite materialrelevante Grenztemperatur in einem Bereich zwischen 630 0C und 600 0C liegt, insbesondere bei 600 0C oder 580 0C.
10. Dampfturbine nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Dampfeingang zur Einleitung von Dampf bei einer Eingangstemperatur unterhalb eines Wertes aus dem Bereich von 550 0C bis 630 0C, insbesondere bei 600 0C oder 580 0C oder bei 5700C, und einem Dampfausgang zur Ausleitung von Dampf 200409121
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bei einer Ausgangstemperatur unterhalb eines Wertes aus dem Bereich von 430 0C bis 410 0C, insbesondere bei 410 0C oder 420 0C oder 320 0C.
11. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatur-beanspruchten Großkomponenten auf Basis von 9-12%-Cr-Stählen ausgeführt sind.
12. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitturbine (12, 12 λ) in Form einer kombinierten Hoch- druck-/Mitteldruck-Dampfturbine gebildet ist.
13. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) mit einer ersten Dampfturbine und mindestens einer weiteren, der ersten Dampfturbine nachgeordneten Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dampfturbine eine Hochtemperatur-Dampfturbine mit einer ersten Welle (17) zur Anordnung als Erstturbine (11, 11 λ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist, und eine zweite Dampfturbine eine Hochtemperatur-Dampfturbine mit einer zweiten Welle (19) zur Anordnung als Zweitturbine (12, 12 λ) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 ist, und das Getriebe (15) die erste Welle (17) und die zweite Welle (19) verbindet.
14. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitturbine (12, 12 λ) für eine niedrigere Drehzahl als die Erstturbine (11, 11 λ) ausgelegt ist.
15. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Dampfturbine in Form einer Niedertemperatur- Dampfturbine (13, 13 λ) zur Beaufschlagung mit Dampf bei einer Temperatur vollständig unterhalb von 450 0C gebildet ist. 200409121
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16. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Dampfturbine in Form einer Niederdruck-Dampftur- bine gebildet ist.
17. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Dampfturbine einer mit der Welle (19) der zweiten Dampfturbine gemeinsame Welle (19) aufweist.
18. Dampfturbinen-Anordnung (1, 2) in Form eines Hochtemperatur-/Mitteltemperatur-/Niedertemperatur-Dampfturbinen-An- Ordnung, bei der die Hochtemperatur-Dampfturbine in Form einer kombinierten Hochdruck-/Mitteldruck-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig oberhalb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet ist, und die Mitteltemperatur-Dampfturbine in Form einer kombinier¬ ten Hochdruck-/Mitteldruck-Dampfturbine zur Beaufschlagung mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenztemperatur gebildet ist, und wobei eine erste Welle (17) der Hochtemperatur-Dampfturbine und eine zweite Welle (19) der Mitteltemperatur-Dampfturbine über ein Getriebe (15) verbunden sind.
19. Dampfturbinen-Anlage (10, 20) mit einer Dampfturbinen-An¬ ordnung (1, 2) nach einem der Ansprüche 13 bis 18 und einer Dampfturbinen-Peripherie (3, 4) mit einer Anzahl von Lei- tungs- und/oder Sammelkomponenten zur Beaufschlagung mit Heißdampf . 200409121
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20. Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinen-Anlage (10, 20) , bei dem eine Erstturbine (11, 11 λ) in Form einer Hochtemperatur- Dampfturbine mit Dampf bei Temperaturen vollständig ober- halb oder bei einer ersten materialrelevanten Grenztemperatur beaufschlagt wird; eine Zweitturbine (12, 12 λ) in Form einer Mitteltempera¬ tur-Dampfturbine mit Dampf bei Temperaturen vollständig unterhalb oder bei einer zweiten materialrelevanten Grenz- temperatur beaufschlagt wird; und über ein Getriebe (15) eine Drehzahl einer ersten Welle (17) der Erstturbine (11, 11 λ) auf eine Drehzahl einer zweiten Welle (19) der Zweitturbine (12, 12 λ) übersetzt wird.
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