WO2013174717A1 - Steuern der zufuhr von arbeitsfluid zu einer turbine mittels einer ventilindividuellen ansteuerung von mehreren ventilen - Google Patents

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WO2013174717A1
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working fluid
valve
turbine
valves
chamber
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Thomas Müller
Matthias Schleer
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/18—Final actuators arranged in stator parts varying effective number of nozzles or guide conduits, e.g. sequentially operable valves for steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D17/10—Final actuators
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    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/145—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path by means of valves, e.g. for steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the present invention generally relates to the technical field of turbine technology.
  • the present invention relates to a device for controlling the supply of working fluid to a turbine, wherein the supply of working fluid takes place via at least two valves.
  • ⁇ constricting invention further relates to a turbine system with such a device and a method of operating such a turbine system.
  • Turbines are often used to convert thermal energy into mechanical energy.
  • a turbine can be operated basic ⁇ additionally having a plurality of flow media, which is converted withdrawn thermodynamic energy during passage through the turbine and converted into mechanical energy, which is in particular outputted to a shaft of the turbine.
  • a flow medium is often (and also in this document) referred to as working fluid.
  • Particularly frequent ⁇ fig is used as the working fluid vapor, especially water vapor.
  • a steam-powered turbine is therefore also referred to as a steam turbine.
  • Control or regulation of the power of a turbine may be by means of one or more valves through which the working fluid must flow before being discharged into a working space of the turbine.
  • adjusting a valve typically its opening cross-section is adjusted, which in turn hangs together ⁇ directly with the flowing through the valve in question amount of working fluid.
  • the performance of a turbine by adjusting a suitable amount of working fluid flowing into the working space per unit of time to a specific load request of a turbine downstream of the turbine or to the offer of an upstream producer of working fluid (eg a steam generator) adapted ⁇ the.
  • an upstream producer of working fluid eg a steam generator
  • the inflowing fluid flow is split up into a plurality of inflow chambers, which are typically formed in a so-called inflow housing arranged upstream of the relevant turbine.
  • each inflow chamber is assigned to a working fluid delivery device, for example a group of nozzles.
  • a working fluid delivery device for example a group of nozzles.
  • the distribution of the fluid flow to the various valves is typically carried out in accordance with expected load points, wel ⁇ che are usually specified by an operator of the turbine.
  • the control of the individual valves is usually carried out by means of a mechanism or a control through which the individual valves in a (monotonous) increase turbine power in a fixed order opened and closed in a (monotonous) reduction of the turbine power in the opposite order , So it is for example known to equip the various valves under ⁇ differently strong springs and with a common hydraulic system (for example, a common oil pressure line) to actuate. Then, the opening order is determined by the strength of the individual valve springs, with increasing pressure first the valve with the weakest spring and then successively open the valves with stronger springs. Depending on the inlet and outlet state of the working fluid, it can be achieved that at the design point determined by the respective spring constant. th of the individual valves they are opened as fully as possible and thus the throttle losses are minimized.
  • the present invention has for its object to improve the efficiency of a turbine, which is exposed to highly fluctuating load requirements.
  • an apparatus for controlling the supply of working fluid to a turbine has (a) a distribution chamber, into which the working fluid can be introduced via a fluid inlet, (b) a first inflow chamber for forwarding working fluid to a first delivery device, by means of which at least a portion of the working fluid can be supplied to the turbine; (c) a second to ⁇ strömhunt for forwarding the working fluid to a second delivery means, by means of which a portion is at least the working fluid supplied to the turbine, (d) a first VEN til disposed between the distribution chamber and the first inflow chamber for adjusting the magnitude of a first flow of working fluid from the distribution chamber to the first inflow chamber; (e) a second valve located between the distribution chamber and the second inflow chamber; for adjusting the magnitude of a second flow of working fluid from the distribution chamber to the second inflow chamber, the two valves being configured for different flows of working fluid, and (f) a control device coupled to the first valve and the
  • the described device for controlling the supply of working fluid to a turbine is based on the finding that by independent control of the two valves, which allows for each valve, the setting of an individual opening cross-section, the total amount or the total strength supplied to the turbine working fluid so can be divided on the two inflow chambers, that the efficiency of the turbine is optimized in particular in the partial load range op ⁇ .
  • valve-individual control and thus the valve-individual adjustment of the respective flow of Ar ⁇ beitsfluid principle allows for each load point of the turbine any, and thus also with respect to the efficiency of the turbine optimal ratio between the strength of the first stream of working fluid and the strength of the second stream of working fluid.
  • the laying of a valve to a specific range of strengths of streams of working fluid can in particular take place by a corresponding dimensioning of the different at ⁇ the valves.
  • a different sizing may be particularly when different flow cross sections ⁇ the working fluid dispensers.
  • the energy of the working is to be beitsfluids removed from the turbine a certain predetermined mechanical ⁇ African performance and riding provided sawn to a shaft of the turbine and / or that the turbine per time ⁇ unit a certain amount of working fluid for the production of mechanical energy is provided.
  • the turbine works particularly efficiently when as little working fluid as possible is required to achieve the desired mechanical performance.
  • the Turbi ⁇ ne operates particularly efficiently when a large as possible ⁇ SSE mechanical power is generated with a certain pre give ⁇ NEN amount of working fluid from the turbine.
  • the first dispensing means and / or the second dispensing ⁇ means may be realized by means of a nozzle or egg ⁇ ner group of nozzles for example, which in a known Introduce the respective partial flow of working fluid in the turbine.
  • the flow of working fluid into a turbine in a flexible manner to steu ⁇ ren compared to known multi-valve turbine drives at a (monotonically) temporally increasing inflow of working fluid, the order of opening of the individual valves depending be adapted from the currently existing operating state with regard to an optimization of the Wir ⁇ Kungsgrades the turbine.
  • the operating state of the turbine can be determined by a currently predefined load point and / or by the currently existing thermodynamic states (in particular pressure and temperature) of the working fluid entering the turbine and / or exiting the turbine.
  • the described device offers the possibility of the operation of a turbine in terms of improved efficiency depending on the present load point and / or depending on if necessary time varying inlet and outlet conditions of the working fluid to optimization ⁇ ren. For such an optimization is not necessary to interrupt a running operation of the turbine.
  • efficiency optimization using only a few valves as control or regulating devices can be performed in a simple and efficient manner.
  • the resulting verbes ⁇ serte efficiency of the turbine can result in an increase in the turbine provided by the mechanical work and / or a reduction in the amount of working fluid, which is required for a certain amount of mechanical energy. Thereby a substantial cost saving can be achieved in actual operation, in particular at ⁇ sary changed operating conditions.
  • the device further comprises a feedback system, each of which the valves coupled to the control device, so that the control device receives information about the current position of the valve in question for each valve.
  • a feedback system each of which the valves coupled to the control device, so that the control device receives information about the current position of the valve in question for each valve.
  • the detection of the current position for each valve can be done in many ways, for example, on an electronic ⁇ rule, a mechanical, pneumatic and / or hydraulic way.
  • the actual information processing using logic that adjusts depending on the respective operating state and / or depending on a course of the change in operating conditions of the turbine, the opening order of the valves are, more typically ⁇ as by electronic means, in particular by using an appropriate software.
  • the control device has several possibly spatially separated components, the component used for position detection adapted to the way the information transmission ⁇ (mechanical, pneumatic and / or hydraulic) fit is.
  • the logic processing the valve position information can thus adjust the opening order of the individual valves during operation of the turbine so that an improved overall efficiency is achieved.
  • this improved overall efficiency in a particular case a be improved mechanical power output and / or a verrin ⁇ Gerter throughput of working fluid.
  • each valve has an actuator which can be controlled by the control device in an electronic and / or optical manner.
  • This may in particular mean that only one control line is required for the individual control of the individual valves, which extends from the control device to the individual valves.
  • the control line can be an electrical signal line or an optical waveguide.
  • the control line may be a single line to which a plurality of actuators are connected, as in connection with a data bus.
  • the control line may also be a system consisting of a plurality of individual control lines which, starting from the control device, extend in a star shape to each valve.
  • control device and the various valves or the actuators of the valves can thus be realized, for example, depending on the construction of the described device for controlling the working fluid supply and / or the spatial arrangement of the valves, starting from known constructions only minor modifications are required.
  • the actuator can adjust its associated valve in electrical ⁇ cal, mechanical, pneumatic and / or hydraulic manner.
  • the apparatus further comprises (a) a third inflow chamber for conveying working fluid to a third delivery device, by means of which at least a portion of the working fluid can be supplied to the turbine, and (b) a third valve, between the distribution chamber and the third inflow chamber is arranged for adjusting the strength of a third stream of working fluid from the distribution chamber to the third inflow chamber.
  • the control device is also with coupled to the third valve and arranged to control the third valve ⁇ independent of the other valves.
  • a third valve has the particular advantage that the control of the supply of working fluid can be adapted even more precisely to the operating states of the turbine which are present in each case and thus an improved efficiency can be achieved, in particular in fluctuating operating states.
  • the first valve is configured for a first stream of working fluid
  • the second valve is for a second stream of working fluid
  • the third valve is for a third stream of working fluid.
  • the first current is different from the second current and the third current and the second current is different from the third current.
  • the different design of the three valves may be realized in that the valves un ⁇ ter Kunststoffliche designs have, each design sondere particular a (maximum) opening cross-section, wel ⁇ cher different from the (maximum) opening cross-sections of the other valves at ⁇ play is thereby ,
  • a different design of each of the valves in comparison with the other valves can have the advantage, in particular, that the total flow of working fluid through all the valves can be realized with a multiplicity of different combinations of open positions. In any case, this multiplicity of different combinations of open positions is greater for three differently sized valves than for only two differently sized valves (when two of the three valves are designed for the same flow of working fluid).
  • An especially high number of available combinations of open positions increases the probability that an optimal combination of Publ ⁇ drying posture is available for the currently present operating state in each case, which can then also be adjusted by (logic) of the control device.
  • the apparatus further comprises (a) a further inflow chamber for the forwarding of working fluid to a further dispensing device, by means of which at least part of the working fluid can be fed to the turbine, and (b) a further valve, which is arranged between the distribution chamber and the further inflow chamber, for adjusting the strength of a further flow of working fluid from the distribution chamber to the further inflow chamber.
  • the control device is further coupled to the other valve and arranged to control the further valve independently of the other valves.
  • a turbine system which comprises (a) a device of the type described above for controlling the supply of working fluid and (b) a turbine downstream of the device (with respect to the flow of the working fluid) , which is set up such that the thermodynamic energy of a working fluid, which was the turbine of the device supplied ⁇ , at least partially converted into mechanical energy ⁇ converts.
  • the described turbine system is based on the finding that by using the device described above for controlling the supply of working fluid to the turbine, the efficiency of the turbine with respect to the conversion of thermodynamic energy into mechanical energy is improved, in particular with time-varying operating conditions of the turbine. can be sert.
  • the opening sequence of the sukzessi ⁇ ve switched-valves, for example, at a zeitli ⁇ chen increase of the total stream of working fluid that the turbine is supplied to be optimally adapted to the (final) load point, so that the turbine with a timalen for an optically efficiency suitable combinations of open positions of the individual valves can be operated.
  • the mechanical energy provided by the turbine can in particular be tapped on a shaft of the turbine, for example by a working machine.
  • the working machine may in particular be an electrical generator, which can be used to generate electricity.
  • the work machine may also be a mechanical machine, which the mechanical energy that is provided to it by the ⁇ be written turbine system, in a suitable Way to perform mechanical activities uses.
  • the machine may be for example a pump, a compaction ⁇ ter, a fan and / or a press.
  • a method of operating a turbine system comprises (a) a process fluid supply means of an apparatus of the type described above for controlling the supply of working fluid to said device downstream of the turbine and (b) convert at least a portion of the thermodynamic energy of the supplied ⁇ led Working fluids into mechanical energy.
  • the method described is the recognition zugrun- de that by optimum adjustment of the opening ⁇ positions of a plurality of at least two valves, the inlet flow of working fluid to the turbine may be so efficient that the total energy conversion efficiency can be improved.
  • the supply of the working fluid takes place in the case of a combination of open valves, which open at least approximately completely are, so that at least one additional valve must be at least partially opened when increasing the total amount to be supplied per unit time ⁇ working fluid.
  • Figure 1 shows a turbine system with a device having three individually adjustable valves for controlling the supply of working fluid to a turbine.
  • Figure 2 shows a diagram indicating the amount of steam required in dependence of the me chanical ⁇ output power of a steam turbine, which in various Opening orders of a total of three valves is needed.
  • FIG. 1 shows a turbine system 100 according to a presently preferred embodiment of the invention.
  • the turbine system 100 includes a steam turbine 170 and an apparatus 120 for controlling the supply of working fluid to the steam turbine 170.
  • the working fluid is water vapor and the turbine is a steam ⁇ turbine.
  • the steam turbine 170 of the device 120 is connected downstream.
  • Fi gur ⁇ 1 the steam turbine is indicated in a range in which a shaft, not shown, of the Turbinensys- tems and a corresponding shaft seal is situated, which seals the shaft against an inlet housing 122 of the device 120th
  • a distribution chamber 126 is formed in the inflow housing 122 of the device 120, which is filled with the water vapor via a fluid inlet 124.
  • Three are located in the inlet housing 122 further strömhuntn to ⁇ , a first inlet chamber 131, a second to ⁇ strömhunt 132 and a third inlet chamber 133 trained det.
  • the device further comprises three valves 120, a ers ⁇ tes valve 141, a second valve 142, and a third valve 143, each at a junction between the manifold chamber 126 and one of the three inflow chambers 131, 132, 133 are arranged.
  • Each valve 141, 142 and 143 has a valve seat 141a, 142a and 143a and a valve piston 141a, 142b and 143b, respectively.
  • the (opening) state of each valve 141, 142 and 143 can be adjusted by means of an actuator 151, 152 and 153, respectively.
  • the device 120 further has a control device 150, which is coupled by means of a control line 155 to each of the three actuators 151, 152, 153.
  • the control inputs direction 150 as well as the control line 155 are such confi ⁇ riert that each of the three valves can be 141, 142 and 143 inde ⁇ gig operated by the other two valves.
  • control line 150 is further configured to communicate information about the current position (i.e., the current opening state) of the three valves 141, 142, and 143 to the controller 150.
  • the control line 150 may be referred to as part of a feedback system 160.
  • the controller 150 may realize a required or predetermined total flow of water vapor having a plurality of different combinations of open positions of the three valves 141, 142, and 143. This results in the possibility, depending on the current operating conditions, of an optimum combination of open positions of the three valves 141, 142 and 16 with respect to the greatest possible efficiency of the steam turbine 170
  • FIG. 2 shows a diagram 280 which, as a function of the mechanical output power of a steam turbine (plotted on the abscissa), shows the amount of steam (plotted on the ordinate) required for two fundamentally different opening sequences or opening sequences of three valves.
  • the mechanical output power which is briefly referred to in the diagram as "mechanical power” can be tapped in particular on a central shaft of the turbine system.
  • a first curve is shown in the diagram 280, which results in a first opening order.
  • the water vapor is supplied exclusively through a first of the three valves.
  • the first valve is fully ge ⁇ opens, a second of the three valves in order to be able to supply a greater amount of steam per unit time, is opened.
  • connection or opening of the second valve is shown in FIG. 2 by the solid arrow 282a. Accordingly, with a further increasing demand for output power in an arrow provided with the reference numeral 282b, the third valve is switched on.
  • a dashed line 284 in the diagram 280 shows a second curve, which results in a second opening sequence.
  • first of all ie at relatively low output power
  • the steam is supplied exclusively via the second valve.
  • the first valve is switched on in a dashed arrow provided with the reference numeral 284b.
  • a comparison of the two curves 282 and 284 shows that up to a point marked with an X, the first opening sequence is better with regard to the efficiency of the turbine operation.
  • DA per unit of time

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Abstract

Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine (170) aufweisend (a) eine Verteilerkammer (126), (b) eine erste Zuströmkammer (131) zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer ersten Abgabeeinrichtung, mittels welcher Arbeitsfluid der Turbine (170) zuführbar ist, (c) eine zweite Zuströmkammer (132) zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer zweiten Abgabeeinrichtung, mittels welcher Arbeitsfluid der Turbine (170) zuführbar ist, (d) ein erstes Ventil (141) zum Einstellen der Stärke eines ersten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer (126) zu der ersten Zuströmkammer (131), (e) ein zweites Ventil (142) zum Einstellen der Stärke eines zweiten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer (126) zu der zweiten Zuströmkammer (132), wobei die beiden Ventile auf unterschiedliche Ströme von Arbeitsfluid ausgelegt sind, und (f) eine Steuereinrichtung (150), welche mit dem ersten Ventil (141) und mit dem zweiten Ventil (142) gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, jedes der beiden Ventile (141, 142) unabhängig von dem anderen der beiden Ventile (141, 142) anzusteuern.

Description

Beschreibung
Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine mittels einer ventilindividuellen Ansteuerung von mehreren Ventilen
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Turbinentechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine, wobei die Zufuhr von Ar- beitsfluid über zumindest zwei Ventile erfolgt. Die vorlie¬ gende Erfindung betrifft ferner ein Turbinensystem mit einer derartigen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Turbinensystems. Zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie werden häufig Turbinen eingesetzt. Eine Turbine kann grund¬ sätzlich mit einer Vielzahl von Strömungsmedien betrieben werden, welchen beim Durchgang durch die Turbine thermo- dynamische Energie entzogen und in mechanischer Energie umge- wandelt wird, die insbesondere an einer Welle der Turbine ausgegeben wird. Ein Strömungsmedium wird häufig (und auch in diesem Dokument) als Arbeitsfluid bezeichnet. Besonders häu¬ fig wird als Arbeitsfluid Dampf, insbesondere Wasserdampf, verwendet. Eine mit Dampf betriebene Turbine wird deshalb auch als Dampfturbine bezeichnet.
Eine Steuerung oder eine Regelung der Leistung einer Turbine kann mittels einem oder mittels mehrerer Ventile erfolgen, durch welche das Arbeitsfluid strömen muss, bevor es in einen Arbeitsraum der Turbine abgegeben wird. Bei einer Einstellung eines Ventils wird typischerweise dessen Öffnungsquerschnitt eingestellt, welcher wiederum direkt mit der durch das betreffende Ventil strömenden Menge an Arbeitsfluid zusammen¬ hängt. Auf diese Weise kann die Leistung einer Turbine durch Einstellung einer geeigneten Menge an pro Zeiteinheit in den Arbeitsraum einströmendem Arbeitsfluid an eine bestimmte Lastanforderung einer der Turbine nachgeschalteten Arbeitsmaschine bzw. an das Angebot eines vorgelagerten Erzeugers von Arbeitsfluid (z.B. eines Dampferzeugers) angepasst wer¬ den. Anders ausgedrückt erfolgt durch eine Verengung des Öff¬ nungsquerschnitts eine Drosselung des Arbeitsfluides , was ei¬ nen energetischen Verlust darstellt.
Bei einem Einsatz von mehreren Ventilen wird der zuströmende Fluidstrom auf mehrere Zuströmkammern aufgeteilt, welche ty- picherweise in einem der betreffenden Turbine vorgeschalteten sog. Einströmgehäuse ausgebildet sind. Dabei ist in der Regel jede Zuströmkammer einer Arbeitsfluid-Abgabeeinrichtung, beispielsweise eine Gruppe von Düsen, zugeordnet ist. Eine Auf¬ teilung des Gesamtstroms an Arbeitsfluid in mehrere Teilflu- idströme kann zur Verbesserung des Wirkungsgrades insbesonde¬ re in einem Teillastbetrieb der Turbine führen. Der Vorteil des Einsatzes von mehreren Ventilen im Vergleich zum Einsatz von nur einem Ventil besteht u.a. darin, dass nur jeweils ein Teilmassenstrom des Arbeitsfluids gedrosselt werden muss.
Die Aufteilung des Fluidstroms auf die verschiedenen Ventile erfolgt typischerweise gemäß zu erwartenden Lastpunkte, wel¬ che üblicherweise von einem Betreiber der Turbine vorgegeben werden. Die Ansteuerung der einzelnen Ventile erfolgt in der Regel mittels einer Mechanik oder einer Steuerung, durch welche die Einzelventile bei einem (monotonen) Anstieg der Tur- binenleistung in einer festen Reihenfolge geöffnet und bei einer (monotonen) Reduzierung der Turbinenleistung in der entgegengesetzten Reihenfolge geschlossen werden. So ist es beispielsweise bekannt, die verschiedenen Ventile mit unter¬ schiedlich starken Federn auszustatten und mit einer gemein- samen Hydraulik (beispielsweise einer gemeinsamen Öldruckleitung) zu betätigen. Dann wird die Öffnungsreihenfolge durch die Stärke der einzelnen Ventilfedern bestimmt, wobei sich bei steigenden Druck zunächst das Ventil mit der schwächsten Feder und danach sukzessive die Ventile mit stärkeren Federn öffnen. Abhängig von dem Eintritts- und dem Austrittszustands des Arbeitsfluids kann dadurch erreicht werden, dass bei den durch die jeweilige Federkonstante bestimmten Auslegungspunk- ten der einzelnen Ventile diese möglichst voll geöffnet sind und somit die Drosselverluste minimiert sind.
Falls eine Turbine jedoch in stark unterschiedlichen Be- triebsbedingungen und insbesondere mit stark unterschiedlichen Lastpunkten betrieben werden soll, ist es häufig nicht möglich, den Zustrom an Arbeitsfluid in optimaler Weise einzustellen. Dadurch wird die Effizienz der Turbine reduziert .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz einer Turbine, welche stark schwankenden Lastanforderungen ausgesetzt ist, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unab¬ hängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weitere Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung erge- ben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusam¬ menhang mit der Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung dieser Er- findung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine be- schrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Verteilerkammer, in welche über einen Fluideinlass das Arbeitsfluid einführbar ist, (b) eine erste Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer ersten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Ar- beitsfluids der Turbine zuführbar ist, (c) eine zweite Zu¬ strömkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer zweiten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil das Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, (d) ein erstes Ven- til, welches zwischen der Verteilerkammer und der ersten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines ersten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der ersten Zuströmkammer, (e) ein zweites Ventil, welches zwi- sehen der Verteilerkammer und der zweiten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines zweiten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der zweiten Zuströmkammer, wobei die beiden Ventile auf unterschiedliche Ströme von Arbeitsfluid ausgelegt sind, und (f) eine Steuer- einrichtung, welche mit dem ersten Ventil und mit dem zweiten Ventil gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, jedes der beiden Ventile unabhängig von dem anderen der beiden Ventile anzusteuern . Der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine unabhängige Ansteuerung der beiden Ventile, welche für jedes Ventil die Einstellung eines individuellen Öffnungsquerschnitts ermöglicht, die gesamte Menge bzw. die Gesamtstärke an der Turbine zugeführtem Arbeitsfluid so auf die beiden Zuströmkammern aufgeteilt werden kann, dass der Wirkungsgrad der Turbine insbesondere im Teillastbereich op¬ timiert ist. So kann es beispielsweise hinsichtlich der Effizienz des Turbinenbetriebs sinnvoll sein, bei einem langsamen Hochfahren der Leistung der Turbine zunächst lediglich dasjenige Ventil zu Öffnen, welches auf den kleineren Strom von Arbeitsfluid ausgelegt ist. Wenn dann die Turbinenleistung einen Wert übersteigen soll, welcher bei einer vollständigen Öffnung des auf den kleineren Strom ausgelegten Ventils erreicht werden kann, dann kann dieses Ventil vollständig geschlossen und das andere auf den größeren Strom von Arbeitsfluid ausgelegte Ventil entsprechend weiter geöffnet werden. Erst wenn zur weiteren Erhöhung der Turbinenleistung der Strom an Arbeitsfluid nicht mehr alleine durch das auf den größeren Strom von Arbeitsfluid ausgelegte Ventil strömen kann, wird dann zusätzlich wieder das auf den kleineren Strom ausgelegte Ventil geöffnet. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Steuerungsverlauf, welcher sich von einer herkömmlichen Ventilansteuerlogik dadurch unterscheidet, dass die durch die beiden Ventile fließende Ströme an Arbeitsfluid in beliebiger Reihenfolge zu oder abgeschaltet werden können, nur beispiel¬ haft ist. Die ventilindividuelle Ansteuerung und damit die ventilindividuelle Einstellung des jeweiligen Stroms an Ar¬ beitsfluid ermöglicht prinzipiell für jeden Lastpunkt der Turbine ein beliebiges und damit auch eine hinsichtlich des Wirkungsgrades der Turbine optimales Verhältnis zwischen der Stärke des ersten Stroms von Arbeitsfluid und der Stärke des zweiten Stroms von Arbeitsfluid.
Das Auslegen eines Ventils auf einen bestimmten Bereich von Stärken von Strömen von Arbeitsfluid kann insbesondere durch eine entsprechende unterschiedliche Dimensionierung der bei¬ den Ventile erfolgen. Eine unterschiedliche Dimensionierung kann insbesondere durch unterschiedliche Strömungsquer¬ schnitte der Arbeitsfluid-Abgabeeinrichtungen gegeben sein.
Unter dem verwendeten Begriff des Lastpunktes der Turbine kann insbesondere verstanden werden, dass der Energie des Ar- beitsfluids von der Turbine eine bestimmte vorgegebene mecha¬ nische Leistung entnommen und an einer Welle der Turbine be- reitgestellt werden soll und/oder dass der Turbine pro Zeit¬ einheit eine bestimmte Menge an Arbeitsfluid zur Erzeugung von mechanischer Energie bereitgestellt wird. Im ersten Fall arbeitet die Turbine besonders effizient, wenn zur Erzielung der gewünschten mechanischen Leistung möglichst wenig Ar- beitsfluid benötigt wird. Im zweiten Fall arbeitet die Turbi¬ ne besonders effizient, wenn mit einer bestimmten vorgegebe¬ nen Menge an Arbeitsfluid von der Turbine eine möglichst gro¬ ße mechanische Leistung erzeugt wird. Die erste Abgabeeinrichtung und/oder die zweite Abgabe¬ einrichtung können beispielsweise mittels einer Düse oder ei¬ ner Gruppe von Düsen realisiert sein, welche in bekannter Weise den jeweiligen Teilstrom an Arbeitsfluid in die Turbine einleiten .
Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, den Zustrom an Arbeitsfluid in eine Turbine auf flexible Weise zu steu¬ ern. Dabei kann im Vergleich zu bekannten Mehrventil- Turbinenansteuerungen bei einer (monoton) zeitlich zunehmenden Zuströmung an Arbeitsfluid die Reihenfolge der Öffnung der einzelnen Ventile abhängig von dem aktuell vorliegenden Betriebszustand in Hinblick auf eine Optimierung des Wir¬ kungsgrades der Turbine angepasst werden. Der Betriebszustand der Turbine kann in diesem Zusammenhang von einem aktuell vorgegebenen Lastpunkt und/oder von den aktuell vorliegenden thermodynamischen Zuständen (insbesondere Druck und Tempera- tur) des Arbeitsfluids beim Eintritt in die Turbine und/oder beim Austritt aus der Turbine bestimmt sein.
Anschaulich ausgedrückt bietet die beschriebene Vorrichtung die Möglichkeit, den Betrieb einer Turbine in Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad abhängig von dem vorliegenden Lastpunkt und/oder abhängig von ggf. zeitlich veränderlichen Ein- und Austrittsbedingungen des Arbeitsfluids zu optimie¬ ren. Für eine derartige Optimierung ist es nicht erforderlich, einen laufenden Betrieb der Turbine zu unterbrechen. Somit kann bei einer Vielzahl von verschiedenen Betriebszu- ständen eine Wirkungsgradoptimierung unter Verwendung von nur wenigen Ventilen als Steuer- oder Regelorgane auf einfache und effiziente Weise durchgeführt werden. Der dadurch verbes¬ serte Wirkungsgrad der Turbine kann zu einer Erhöhung der von der Turbine bereitgestellten mechanischen Arbeit und/oder zu einer Reduzierung der Menge an Arbeitsfluid führen, welche für eine bestimmte Menge an mechanischer Energie benötigt wird. Dadurch kann im realen Betrieb insbesondere bei verän¬ derlichen Betriebsbedingungen eine erhebliche Kosteneinspa- rung erzielt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vor¬ richtung ferner ein Rückkopplungssystem auf, welches jedes der Ventile mit der Steuereinrichtung koppelt, so dass die Steuereinrichtung für jedes Ventil eine Information über die aktuelle Stellung des betreffenden Ventils erhält. Anschaulich ausgedrückt kann dies bedeuten, dass die Steuereinrichtung jederzeit weiß, wie die aktuellen Stellungen der einzelnen Ventile sind. Basierend auf dieser Kenntnis kann die Steuereinrichtung dann die aktuellen Ventilstellungen in Hinblick auf eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades der Turbine verändern. Damit wird es der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsfluid-Zufuhr möglich, durch eine Mehrzahl von ggf. relativ kleinen Änderungen von Ventilstellungen den Betrieb der Turbine sukzessive oder iterativ hin zu einem Betrieb mit einem optimierten Wirkungsgrad zu füh- ren.
Die Erfassung der aktuellen Stellung für jedes Ventil kann auf vielfältige Weise beispielsweise auf einem elektroni¬ schen, einem mechanischen, einem pneumatischen und/oder einem hydraulischen Weg erfolgen. Die eigentliche Informationsverarbeitung unter Verwendung einer Logik, welche abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand und/oder abhängig von einem Verlauf der Änderung des Betriebszustandes der Turbine die Öffnungsreihenfolge der Ventile anpasst, erfolgt typischer¬ weise auf elektronischem Wege insbesondere unter Verwendung einer geeigneten Software. Dies bedeutet, dass abgesehen von der o.g. Stellungserfassung auf elektronischem Wege die Steuereinrichtung mehrere ggf. räumlich voneinander getrennte Komponenten aufweist, wobei die zur Stellungserfassung verwendete Komponente an die Art und Weise der Informationsüber¬ tragung (mechanisch, pneumatisch und/oder hydraulisch) ange- passt ist.
Die die Ventilstellungsinformationen verarbeitende Logik kann also während des Betriebs der Turbine die Öffnungsreihenfolge der einzelnen Ventile so anpassen, dass ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. Wie bereits oben beschrieben, kann dieser verbesserte Gesamtwirkungsgrad im Einzelfall eine verbesserte mechanische Leistungsabgabe und/oder ein verrin¬ gerter Durchsatz an Arbeitsfluid sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jedes Ventil ein Stellglied auf, welches auf elektronischem und/oder optischem Wege von der Steuereinrichtung ansteuerbar ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass zur individuellen Ansteuerung der einzelnen Ventile lediglich eine Steuerleitung erforderlich ist, welche sich von der Steuereinrichtung zu den einzelnen Ventilen erstreckt. Die Steuerleitung kann je nach Art der Ansteuerung eine elektrische Signalleitung oder ein Lichtwellenleiter sein. Die Steuerleitung kann eine einzelne Leitung sein, an der wie bei einer Verbindung mit einem Datenbus mehrere Stellglieder angeschlossen sind. Al- ternativ oder in Kombination kann die Steuerleitung auch ein System aus mehreren Einzelsteuerleitungen sein, welche sich ausgehend von der Steuereinrichtung sternförmig zu jedem Ventil erstrecken. Die Datenverbindung zwischen der Steuereinrichtung und den verschiedenen Ventilen bzw. den Stell- gliedern der Ventile kann damit beispielsweise abhängig von der Konstruktion der beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsfluid-Zufuhr und/oder der räumlichen Anordnung der Ventile so realisiert werden, dass ausgehend von bekannten Konstruktionen lediglich geringe Umbauten erforderlich sind.
Das Stellglied kann das ihm zugeordnete Ventil auf elektri¬ sche, mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Weise einstellen . Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner auf (a) eine dritte Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer dritten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine zuführbar ist, und (b) ein drittes Ventil, wel- ches zwischen der Verteilerkammer und der dritten Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines dritten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der dritten Zuströmkammer. Dabei ist die Steuereinrichtung ferner mit dem dritten Ventil gekoppelt und eingerichtet, auch das drit¬ te Ventil unabhängig von den anderen Ventilen anzusteuern.
Die Verwendung eines dritten Ventils hat insbesondere den Vorteil, dass die Steuerung der Zuführ von Arbeitsfluid noch genauer an die jeweils vorliegenden Betriebszustände der Turbine angepasst und damit insbesondere bei schwankenden Be- triebszuständen ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann .
Es wird darauf hingewiesen, dass die in diesem Dokument be¬ schriebene Logik, welche abhängig von der Änderung des Betriebszustandes aus einer Mehrzahl von möglichen Ventil- Öffnungsreihenfolgen eine geeignete Ventil-Öffnungsreihen- folge auswählt, darauf basiert, dass zumindest eines der drei Ventile auf ein andere Stärke eines Stromes von Arbeitsfluid ausgelegt ist als die anderen oder das andere der drei Venti¬ le. Wenn nämlich alle Ventile baugleich wären, dann hätte eine Änderung bzw. eine Anpassung der Öffnungsreihenfolge kei- nen Einfluss auf die Gesamtmenge an Arbeitsfluid, welches der Turbine pro Zeiteinheit zugeführt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist (a) das erste Ventil auf einen ersten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt, (b) das zweite Ventil auf einen zweiten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt und (c) das dritte Ventil auf einen dritten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt. Dabei ist der erste Strom unterschiedlich zu dem zweiten Strom und zu dem dritten Strom und der zweite Strom ist unterschiedlich zu dem dritten Strom.
Die unterschiedliche Auslegung der drei Ventile kann bei¬ spielsweise dadurch realisiert werden, dass die Ventile un¬ terschiedliche Bauformen aufweisen, wobei jede Bauform insbe- sondere einen (maximalen) Öffnungsquerschnitt aufweist, wel¬ cher unterschiedlich zu den (maximalen) Öffnungsquerschnitten der anderen Ventile ist. Eine unterschiedliche Auslegung von jedem der Ventile im Ver¬ gleich zu den anderen Ventilen kann insbesondere den Vorteil haben, dass der Gesamtstrom an Arbeitsfluid durch sämtliche Ventile mit einer Vielzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen realisiert werden kann. Auf alle Fälle ist diese Vielzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen bei drei unterschiedlich ausgelegten Ventilen größer als bei lediglich zwei unterschiedlich ausgelegten Ventilen (wenn zwei der drei Ventile auf den gleichen Strom von Arbeitsfluid ausgelegt sind) . Eine besonders hohe Zahl an verfügbaren Kombinationen von Öffnungsstellungen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass für den jeweils aktuell vorliegenden Betriebszustand eine möglichst optimale Kombination von Öff¬ nungsstellung verfügbar ist, welche dann von (der Logik) der Steuereinrichtung auch eingestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner auf (a) eine weitere Zuströmkammer zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer weiteren Abgabeein- richtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsflu- ids der Turbine zuführbar ist, und (b) ein weiteres Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der weiteren Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines weiteren Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der weiteren Zuströmkammer. Dabei ist die Steuereinrichtung ferner mit dem weiteren Ventil gekoppelt und eingerichtet, auch das weitere Ventil unabhängig von den anderen Ventilen anzusteuern . Mit der Möglichkeit den Gesamtstrom an Arbeitsfluid mittels vier oder mittels sogar fünf oder mehr unterschiedlichen Pfaden, welchen jeweils ein individuell einstellbares Ventil zu¬ geordnet ist, der Turbine zuzuführen, erhöht sich die Anzahl an verfügbaren Kombinationen von Öffnungsstellungen weiter. Demzufolge kann eine noch bessere Öffnungsreihenfolge für ei¬ nen optimalen Betrieb der Turbine insbesondere bei schwanken¬ den Betriebsbedingungen (Lastpunkte und/oder thermodynamische Ein- und Austrittsbedingungen des Arbeitsfluids ) ausgewählt und damit der Wirkungsgrad der Turbine weiter verbessert wer¬ den .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Turbinen- System beschrieben, welches aufweist (a) eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsflu- id und (b) eine der Vorrichtung (in Bezug auf die Strömung des Arbeitsfluids ) nachgeschaltete Turbine, welche derart eingerichtet ist, dass die thermodynamische Energie von einem Arbeitsfluid, welches der Turbine von der Vorrichtung zuge¬ führt wurde, zumindest teilweise in mechanische Energie umge¬ wandelt wird.
Dem beschriebenen Turbinensystem liegt die Erkenntnis zugrun- de, dass durch Einsatz der oben beschriebenen Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu der Turbine der Wirkungsgrad der Turbine hinsichtlich der Umwandlung von thermo- dynamischer Energie in mechanische Energie insbesondere bei zeitlich schwankenden Betriebsbedingungen der Turbine verbes- sert werden kann. Dabei kann beispielsweise bei einem zeitli¬ chen Anstieg des Gesamtstroms an Arbeitsfluid, welches der Turbine zugeführt wird, die Öffnungsreihenfolge der sukzessi¬ ve zugeschalteten Ventile optimal an den (finalen) Lastpunkt angepasst werden, so dass die Turbine mit einer für einen op- timalen Wirkungsgrad geeigneten Kombinationen von Öffnungsstellungen der einzelnen Ventile betrieben werden kann. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für eine zeitliche Reduzierung des Gesamtstroms an Arbeitsfluid, welches der Turbine zugeführt wird.
Die von der Turbine bereitgestellte mechanische Energie kann insbesondere an einer Welle der Turbine beispielsweise von einer Arbeitsmaschine abgegriffen werden. Dabei kann die Arbeitsmaschine insbesondere ein elektrischer Generator sein, welcher zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Die Arbeitsmaschine kann jedoch auch eine mechanische Maschine sein, welche die mechanische Energie, die ihr von dem be¬ schriebenen Turbinensystem bereitgestellt wird, in geeigneter Weise zur Verrichtung von mechanischen Tätigkeiten nutzt. Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise eine Pumpe, ein Verdich¬ ter, ein Ventilator und/oder eine Presse sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystem beschrieben. Das beschrieben Verfahren weist auf (a) ein Zuführen von Arbeitsfluid mittels einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer dieser Vorrich- tung nachgeschalteten Turbine und (b) ein Umwandeln von zumindest einem Teil der thermodynamischen Energie des zuge¬ führten Arbeitsfluids in mechanische Energie.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrun- de, dass durch eine optimale Einstellung der Öffnungs¬ stellungen einer Mehrzahl von zumindest zwei Ventilen die Zu- strömung von Arbeitsfluid zu der Turbine so effizient sein kann, dass der gesamte Wirkungsgrad der Energieumwandlung verbessert werden kann.
Bei einer (monotonen) Änderung der Gesamtmenge an pro Zeiteinheit zuzuführenden Arbeitsfluid kann dann eine ggf. vor¬ eingestellte Reihenfolge der Öffnung der einzelnen Ventile in Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad der Turbine ab- geändert werden. Vielmehr kann erfindungsgemäß abhängig von einem vorliegenden Lastpunkt oder bestimmten veränderlichen thermodynamischen Ein- und Austrittsbedingungen (insbesondere Druck und Temperatur) des Arbeitsfluids die Reihenfolge des Öffnens der einzelnen Ventile, welche sich bei einer monoton veränderlichen Gesamtmenge an pro Zeiteinheit zugeführten Arbeitsfluid ergibt, an die Betriebsbedingungen angepasst wer¬ den. Dadurch kann insbesondere bei wechselnden Betriebsbedingungen die Turbine stets mit einem sehr guten Wirkungsgrad betrieben werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Zu¬ führen des Arbeitsfluids bei einer Kombination von geöffneten Ventilen, welche zumindest annähernd vollständig geöffnet sind, so dass bei einer Erhöhung der Gesamtmenge an pro Zeit¬ einheit zuzuführendem Arbeitsfluid zumindest ein weiteres Ventil zumindest teilweise geöffnet werden muss. Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsverluste, welches das Arbeitsfluid durch von den Ventilen verursachte Drosselungsvorgänge erlei¬ det, minimiert sind. In diesem Zusammenhang wird darauf hin¬ gewiesen, dass ein lediglich teilweise geöffnetes Ventil na¬ turgemäß zu stärkeren Strömungsverlusten führt als ein vollständig geöffnetes Ventil. Umso mehr führt eine vergleichs- weise geringe Anzahl an zumindest annähernd vollständig ge¬ öffneten Ventilen zu einem deutlich geringeren Gesamtströ- mungsverlust als eine vergleichsweise große Anzahl von teil¬ weise geschlossenen Ventilen. Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände be¬ schrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrie- ben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine be¬ liebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unter- schiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung der- zeit bevorzugter Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt ein Turbinensystem mit einer drei individuell einstellbare Ventile aufweisenden Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine. Figur 2 zeigt ein Diagramm, welches in Abhängigkeit der me¬ chanischen Ausgangsleistung einer Dampfturbine die benötigte Dampfmenge angibt, welche bei verschiedenen Öffnungsreihenfolgen von insgesamt drei Ventilen benötigt wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebe- nen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungs¬ formen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
Figur 1 zeigt ein Turbinensystem 100 gemäß einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Turbinensys- tem 100 weist eine Dampfturbine 170 und eine Vorrichtung 120 zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu der Dampfturbine 170 auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsfluid Wasserdampf und die Turbine ist eine Dampf¬ turbine .
Bezogen auf die Strömungsrichtung des Wasserdampfs ist die Dampfturbine 170 der Vorrichtung 120 nachgeschaltet. In Fi¬ gur 1 ist die Dampfturbine in einem Bereich angedeutet, in welchem sich eine nicht dargestellte Welle des Turbinensys- tems und eine entsprechende Wellendichtung befindet, welche die Welle gegen ein Einströmgehäuse 122 der Vorrichtung 120 abdichtet .
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist in dem Einströmgehäuse 122 der Vorrichtung 120 eine Verteilerkammer 126 ausgebildet, welche über einen Fluideinlass 124 mit dem Wasserdampf befüllt wird. In dem Einströmgehäuse 122 sind ferner drei Zu¬ strömkammern, eine erste Zuströmkammer 131, eine zweite Zu¬ strömkammer 132 und eine dritte Zuströmkammer 133 ausgebil- det. Ferner weist die Vorrichtung 120 drei Ventile, ein ers¬ tes Ventil 141, ein zweites Ventil 142 und ein drittes Ventil 143 auf, welche jeweils an einer Verbindungsstelle zwischen der Verteilerkammer 126 und einer der drei Zuströmkammern 131, 132, 133 angeordnet sind. Jedes Ventil 141, 142 und 143 weist einen Ventilsitz 141a, 142a bzw. 143a sowie einen Ventilkolben 141a, 142b bzw. 143b auf. Außerdem kann der (Öff- nungs ) Zustand eines jeden Ventils 141, 142 und 143 mittels eines Stellgliedes 151, 152 bzw. 153 verstellt werden.
Die Vorrichtung 120 weist ferner eine Steuereinrichtung 150 auf, welche mittels einer Steuerleitung 155 mit jedem der drei Stellglieder 151, 152, 153 gekoppelt ist. Die Steuerein- richtung 150 sowie die Steuerleitung 155 sind derart konfigu¬ riert, dass jedes der drei Ventile 141, 142 und 143 unabhän¬ gig von den anderen beiden Ventilen betätigt werden kann.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerleitung 150 ferner konfiguriert, Informationen über die aktuelle Stellung (d.h. den aktuellen Öffnungszustand) der drei Ventile 141, 142 und 143 an die Steuereinrichtung 150 zu übermitteln. Demzufolge kann die Steuerleitung 150 als Teil eines Rückkopplungssystems 160 bezeichnet werden.
Durch die individuelle Ansteuerbarkeit der drei Ventile 141,
142 und 143 und durch die genannte Rückkopplung in Bezug auf den jeweiligen Öffnungszustand kann die Steuereinrichtung 150 einen erforderlichen oder vorgegebenen Gesamtstrom an Wasser- dampf mit einer Mehrzahl an verschiedenen Kombinationen von Öffnungsstellungen der drei Ventile 141, 142 und 143 realisieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, abhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen, eine in Bezug auf einen möglichst großen Wirkungsgrad der Dampfturbine 170 optimale Kom- bination von Öffnungsstellungen der drei Ventile 141, 142 und
143 auszuwählen. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem (monotonen) Erhöhen der Turbinenleistung nicht, wie gemäß dem Stand der Technik, eine vorgegebene Öffnungsreihenfolge ein¬ gehalten werden muss, sondern dass die Öffnungsreihenfolge an die Betriebsbedingungen und insbesondere an einen einzustel¬ lenden Lastpunkt angepasst werden kann. Nachfolgend wird ein derartiges "Aufbrechen" der Reihenfolge von Ventilöffnungen anhand eines Beispiels beschrieben. Figur 2 zeigt ein Diagramm 280, welches in Abhängigkeit der mechanischen Ausgangsleistung einer Dampfturbine (auf der Abszisse aufgetragen) die für zwei grundsätzlich verschiedene Öffnungsreihenfolgen oder Öffnungsfolgen von drei Ventilen benötigte Dampfmenge (auf der Ordinate aufgetragen) zeigt. Die mechanische Ausgangsleistung, welche in dem Diagramm kurz mit "Mechanische Leistung" bezeichnet ist, kann insbesondere an einer zentralen Welle des Turbinensystems abgegriffen wer- den.
Bei einem sukzessiven Erhöhen der Ausgangsleistung muss zwangsläufig die Dampfmenge, die pro Zeiteinheit der Dampf¬ turbine zugeführt wird, erhöht werden. Erfindungsgemäß kann dies durch verschiedene Öffnungs (reihen) folgen von den drei Ventilen erreicht werden.
Mit einer durchgezogenen Linie 282 ist in dem Diagramm 280 ein erster Kurvenverlauf dargestellt, welcher sich bei einer ersten Öffnungsreihenfolge ergibt. Bei relativ geringer Aus¬ gangsleistung wird der Wasserdampf ausschließlich über ein erstes der drei Ventile zugeführt. Nachdem bei steigender me¬ chanischer Ausgangsleistung das erste Ventil vollständig ge¬ öffnet ist, wird, um pro Zeiteinheit eine größere Dampfmenge zuführen zu können, ein zweites der drei Ventile geöffnet.
Das Zuschalten bzw. das Öffnen des zweiten Ventils ist in Figur 2 durch den durchgezogenen Pfeil 282a gezeigt. Entsprechend wird bei weiter steigendem Bedarf an Ausgangsleistung bei einem mit dem Bezugszeichen 282b versehenen Pfeil das dritte Ventil zugeschaltet.
Mit einer gestrichelten Linie 284 ist in dem Diagramm 280 ein zweiter Kurvenverlauf dargestellt, welcher sich bei einer zweiten Öffnungsreihenfolge ergibt. Gemäß dem hier darge- stellten Ausführungsbeispiel wird zunächst, d.h. bei relativ geringer Ausgangsleistung, der Wasserdampf ausschließlich über das zweite Ventil zugeführt. Bei einer steigenden Anfor¬ derung an mechanischer Ausgangsleistung wird, nachdem das zweite Ventil vollständig geöffnet ist, bei der mit dem ge¬ strichelten Pfeil 284a bezeichneten Ausgangsleistung das dritte Ventil zugeschaltet. Bei weiter steigendem Bedarf an Ausgangsleistung wird bei einem mit dem Bezugszeichen 284b versehenen gestrichelten Pfeil das erste Ventil zugeschaltet.
Aus einem Vergleich der beiden Kurven 282 und 284 ergibt sich, dass bis zu einem mit einem X gekennzeichnet Punkt die erste Öffnungsfolge hinsichtlich der Effizienz des Turbinen- betriebs besser ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise mit einer ersten Dampfmenge DA (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LAl abgegeben wird und bei der zweiten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LA2 abgegeben wird, welche deutlich größer ist als die Leis- tung LAl. In entsprechender Weise wird mit einer zweiten
Dampfmenge DB (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LB1 abgegeben und bei der zweiten Öffnungsfolge wird eine mechanische Leistung LB2 abgegeben wird, welche größer ist als die Leistung LB1. Im Gegensatz dazu wird bei einer dritten Dampfmenge DC (pro Zeiteinheit) bei der ersten Öffnungsfolge eine mechanische Leistung LC1 abgegeben und bei der zweiten Öffnungsfolge wird eine mecha¬ nische Leistung LC2 abgegeben wird, welche kleiner ist als die Leistung LC1.
Somit ist deutlich gemacht, dass durch eine geeignete Wahl der Öffnungsreihenfolge (abhängig von dem Lastpunkt an dem die Turbine betrieben wird) in vielen Fällen der Wirkungsgrad der Umwandlung von thermischer oder thermodynamischer Energie in mechanische Energie gesteigert werden kann. Die in diesem Dokument beschriebene Erfindung kann somit einen wertvollen Betrag hin zu einer verbesserten Energieeffizienz leisten.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Steuern der Zufuhr von Arbeitsfluid zu einer Turbine (170), die Vorrichtung (120) aufweisend
eine Verteilerkammer (126), in welche über einen Flui- deinlass (124) das Arbeitsfluid einführbar ist,
eine erste Zuströmkammer (131) zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer ersten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine (170) zu- führbar ist,
eine zweite Zuströmkammer (132) zum Weiterleiten von Arbeitsfluid zu einer zweiten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil das Arbeitsfluids der Turbine (170) zuführbar ist,
ein erstes Ventil (141), welches zwischen der Verteilerkammer (126) und der ersten Zuströmkammer (131) angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines ersten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer (126) zu der ersten Zuströmkammer (131),
ein zweites Ventil (142), welches zwischen der Vertei¬ lerkammer (126) und der zweiten Zuströmkammer (132) angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines zweiten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer (126) zu der zweiten Zuströmkammer (132), wobei
die beiden Ventile auf unterschiedliche Ströme von Ar¬ beitsfluid ausgelegt sind, und
eine Steuereinrichtung (150), welche mit dem ersten Ventil (141) und mit dem zweiten Ventil (142) gekoppelt ist und welche eingerichtet ist, jedes der beiden Ventile (141, 142) unabhängig von dem anderen der beiden Ventile (141, 142) anzusteuern .
2. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend
ein Rückkopplungssystem (160), welches jedes der Ventile
(141, 142, 143) mit der Steuereinrichtung (150) koppelt, so dass die Steuereinrichtung (150) für jedes Ventil (141, 142, 143) eine Information über die aktuelle Stellung des betref¬ fenden Ventils (141, 142, 143) erhält.
3. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Ventil (141, 142, 143) ein Stellglied (151, 152, 153) aufweist, welches auf elektronischem und/oder optischem Wege von der Steuereinrichtung (150) ansteuerbar ist.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, fer- ner aufweisend
eine dritte Zuströmkammer (133) zum Weiterleiten von Ar- beitsfluid zu einer dritten Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine (170) zuführbar ist, und
ein drittes Ventil (143), welches zwischen der Vertei¬ lerkammer (126) und der dritten Zuströmkammer (133) angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines dritten Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer (126) zu der dritten Zuströmkammer (133),
wobei die Steuereinrichtung (150) ferner mit dem dritten Ventil (143) gekoppelt ist und eingerichtet ist, auch das dritte Ventil (143) unabhängig von den anderen Ventilen (141, 142) anzusteuern .
5. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei
das erste Ventil (141) auf einen ersten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt ist,
das zweite Ventil (142) auf einen zweiten Strom von Arbeitsfluid ausgelegt ist und
das dritte Ventil (143) auf einen dritten Strom von Ar¬ beitsfluid ausgelegt ist,
wobei der erste Strom unterschiedlich zu dem zweiten Strom und zu dem dritten Strom ist und
wobei der zweite Strom unterschiedlich zu dem dritten Strom ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, ferner aufweisend eine weitere Zuströmkammer zum Weiterleiten von Ar- beitsfluid zu einer weiteren Abgabeeinrichtung, mittels welcher zumindest ein Teil des Arbeitsfluids der Turbine zuführ¬ bar ist, und
ein weiteres Ventil, welches zwischen der Verteilerkammer und der weiteren Zuströmkammer angeordnet ist, zum Einstellen der Stärke eines weiteren Stroms von Arbeitsfluid von der Verteilerkammer zu der weiteren Zuströmkammer,
wobei die Steuereinrichtung ferner mit dem weiteren Ventil gekoppelt ist und eingerichtet ist, auch das weitere Ventil unabhängig von den anderen Ventilen anzusteuern.
7. Turbinensystem aufweisend
eine Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangehenden An- sprüche und
eine der Vorrichtung (120) nachgeschaltete Turbine
(170), welche derart eingerichtet ist, dass die thermodynami- sche Energie von einem Arbeitsfluid, welches der Turbine (170) von der Vorrichtung (120) zugeführt wurde, zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt wird.
8. Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystem (100), das Verfahren aufweisend
Zuführen von Arbeitsfluid mittels einer Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6 zu ei¬ ner der Vorrichtung (120) nachgeschalteten Turbine (170) und
Umwandeln von zumindest einem Teil der thermodynamischen Energie des zugeführten Arbeitsfluids in mechanische Energie.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei
das Zuführen des Arbeitsfluids bei einer Kombination von Ventilen (141, 142) erfolgt, welche zumindest annähernd voll¬ ständig geöffnet sind, so dass bei einer Erhöhung der Gesamt¬ menge an pro Zeiteinheit zuzuführendem Arbeitsfluid zumindest ein weiteres Ventil (143) zumindest teilweise geöffnet werden muss .
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