EP2310636B1 - Verfahren zum betreiben einer dampfturbine - Google Patents

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EP2310636B1
EP2310636B1 EP09780710.1A EP09780710A EP2310636B1 EP 2310636 B1 EP2310636 B1 EP 2310636B1 EP 09780710 A EP09780710 A EP 09780710A EP 2310636 B1 EP2310636 B1 EP 2310636B1
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EP
European Patent Office
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steam
turbine
low
inlet device
pressure
Prior art date
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Not-in-force
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EP09780710.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2310636A1 (de
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Jörg Eppendorfer
Bernd Leidinger
Markus Mantei
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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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
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/023—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines the working-fluid being divided into several separate flows ; several separate fluid flows being united in a single flow; the machine or engine having provision for two or more different possible fluid flow paths
    • 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F01K7/00—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
    • 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
    • F01K7/18—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 turbine being of multiple-inlet-pressure type
    • F01K7/20—Control means specially adapted therefor
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam
    • 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
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/303—Temperature
    • F05D2270/3032—Temperature excessive temperatures, e.g. caused by overheating

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a steam turbine plant according to the preamble of claim 1.
  • a steam turbine the thermal energy supplied by the turbine steam is converted into mechanical work.
  • Such known steam turbines include a high-pressure side steam inlet and a low-pressure side steam outlet.
  • a control device for controlling at least the steam inlet, but usually also for controlling further plant components of a steam turbine-containing steam turbine plant is provided.
  • a shaft extending through the turbine, the so-called turbine rotor, is driven by means of turbine blades. By coupling the rotor with an electric generator allows a steam turbine z. B. the generation of electrical energy.
  • the rotor To drive the rotor typically blades and vanes are provided.
  • the blades are attached to the rotor and rotate therewith, whereas the blades are mostly stationary on a turbine housing.
  • the guide vanes z. B. be attached to a so-called vane carrier.
  • the vanes provide a favorable flow of steam through the turbine to achieve the most efficient energy conversion. In this reaction, both the temperature and the pressure of the steam are reduced in the course between the steam inlet and the steam outlet.
  • the steam which has already largely expanded and cooled in the preceding turbine parts is reheated in the low-pressure part (eg final stage) by the rotating rotor blades.
  • an additional steam supply optionally takes place via a further steam inlet device which is arranged in the turbine run between a high-pressure side steam inlet device and a low-pressure side steam outlet device of the steam turbine.
  • the inventive method is characterized in that in the presence of certain activation criteria, a special operating mode with a controlled steam supply via the further steam inlet device with simultaneous reduction or shutdown of the steam supply via the high-pressure steam inlet device is activated, which is deactivated again in the presence of certain deactivation criteria, with the the feed via the further steam inlet means is conditioned with values of temperature and pressure which are greater than those values of temperature and pressure which would result without the additional steam inlet at that point in the turbine run.
  • a further steam inlet is activated alternatively to the high-pressure steam inlet or in addition to the (in this case reduced) high-pressure steam inlet, in order to avoid excessive ventilation in particular, which advantageously hitherto associated with such ventilation temperature stress of the relevant Turbine components is reduced.
  • the life of these components can be advantageously extended.
  • the present inventors have recognized that a reduced temperature stress in the low pressure part the turbine advantageously allows the formation of turbine blades in lightweight construction, in particular z. B. using a fiber composite material such. CFK. Such materials have hitherto largely been considered unrealisable for the manufacture of these turbine blades.
  • a specially conditioned steam is provided for the supply via the further steam inlet device.
  • the steam supplied thereon as required is conditioned in terms of its temperature and pressure such that the values of temperature and pressure are greater than those values which would result without the additional steam inlet at this point in the turbine run.
  • the steam turbine plant may be, for example, an industrial steam turbine plant, in which the steam turbine is coupled to a generator for generating electrical energy, the power z. B. between about 2 MW and 50 MW.
  • the invention is also suitable for larger power plants, for example, for large-scale plants with a capacity greater than 100 MW.
  • the steam turbine plant can be, in particular, a condensation steam turbine plant in which the vapor discharged from the turbine on the low-pressure side is condensed and, for example, condensed. B. is then reheated in a cycle to produce the high pressure side to be admitted live steam.
  • Turbines are usually divided into several turbine stages to achieve the highest possible efficiency, such a stage consists of a row of vanes and a downstream adjacent row of blades.
  • the individual blades of a row extend here on common axial height, but angularly offset in the circumferential direction to each other in different radial directions.
  • stages provided on the high pressure side may be referred to as “high pressure part”, whereas one or more stages at the turbine end, ie low pressure side (output side) are usually referred to as “low pressure part” or “final stage (s)" of the turbine.
  • the entirety of the turbine stages arranged one behind the other can also be structurally or structurally divided into groups, each of which can have its own turbine housing ("drum") or are accommodated in a common turbine housing.
  • drum turbine housing
  • the naming system of the turbines and the general usage usually provide at least high pressure and low pressure stages. These may or may not, however, be arranged in their own housing (which may be connected, for example, by a pipeline to the adjacent housing).
  • the further steam inlet device is particularly preferably arranged in a low-pressure part of the turbine, in particular at the entrance of a "final stage".
  • the output of the last power amplifier can then z. B. may be connected directly to a condenser for condensing the low pressure side discharged steam.
  • the invention is of particular interest for steam turbines in which the pressure of the steam to be discharged via the low-pressure steam outlet device is smaller by at least a factor 10 2 than the pressure of the steam to be introduced via the high-pressure steam inlet device.
  • the high-pressure side admitted steam can z. B. have a pressure of more than 10 bar, whereas the steam to be discharged on the low pressure side may have a pressure of less than 0.5 bar.
  • the steam supplied via the further steam inlet means preferably has a pressure and a temperature which respectively lie between the corresponding values of the high-pressure side steam inlet and the low-pressure side steam outlet, the pressure and / or the temperature of the steam supplied via the further steam inlet device preferably being appreciably larger than which are at this point the turbine for the same operating condition of the turbine without such an additional steam inlet values to be expected.
  • a ventilation downstream of the further steam inlet can be reliably avoided.
  • the further steam inlet device which is preferably arranged at the inlet of a low-pressure part of the steam turbine, preferably comprises a controllable valve with which the steam supply as required can be controlled. Particularly preferred at this point is the use of a proportional valve, by means of which the vapor flow can be set exactly to a desired extent.
  • the steam supply is effected via the further steam inlet device.
  • a low-load operation can be detected, for example, based on an evaluation of a torque currently supplied by the turbine or a currently supplied rotary power (for example on a coupling of the turbine rotor).
  • the steam upon detection of a specific temperature increase in a low-pressure part of the steam turbine, the steam is supplied via the further steam inlet device.
  • a temperature increase can in the simplest case as exceeding a be defined predetermined temperature threshold.
  • the temperature increase can also be detected taking into account a current temperature change rate.
  • the high-pressure side steam inlet device may comprise a valve, for example a proportional valve.
  • a valve of the high-pressure side steam inlet device is closed and instead a valve of the further steam inlet device is opened.
  • valves mentioned can be infinitely adjustable with appropriate training and control.
  • the valve of the further steam inlet device can then be opened more or less as required, the valve of the high-pressure side steam inlet device preferably being closed more or less in a corresponding manner. So there is no need to make a sudden change in the steam supply.
  • Essential for the invention is triggered in response to currently detected operating parameters further steam supply, in which the high-pressure side steam supply is reduced.
  • the high-pressure side steam inlet is not completely closed even if the steam supply is appreciable via the further steam inlet device is, but z. B. at least the so-called "cooling steam amount" is passed through the high-pressure side part of the turbine. Otherwise there is a risk that the turbine runner driven by the steam supply in the low-pressure part leads to ventilation in the high-pressure part of the turbine.
  • the detected operating parameters comprise a torque measured at a turbine rotor.
  • the detected operating parameters include a temperature measured in a low-pressure part of the steam turbine.
  • further operating parameters of the system in particular the turbine can be measured, such.
  • B. a rotational speed or rotational speed of the turbine rotor. From detected torque and detected speed of the rotor can be z. B. derive a current rotational power of the turbine rotor.
  • the check for the existence of the activation criteria and deactivation criteria can, for. B. by means of suitable Software or be implemented by means of an electronically stored lookup table.
  • the criteria by which activation and deactivation of the special operating mode (“further steam inlet”) is triggered and / or other criteria may then be continuously checked during the special operating mode to control the turbine and / or other plant components in particular Operating mode.
  • an additional increase in the mechanical power consumption of the system components driven by the turbine is effected in the special operating mode.
  • this also includes the "connection" of specifically provided power consumers. It can therefore z. B. an additional power sensor can be integrated into the train, which absorbs power in idle mode and z. B. transformed into heat, which is dissipated. This also reduces the ventilation in the final stages.
  • power from an electric generator coupled to the turbine can be converted to heat via heating resistors.
  • the additional, provided by increasing the mechanical power consumption can, for. B. for heating the input side of the turbine and / or via the further steam inlet device supplied medium (eg., Water) can be used.
  • this power can be used to preheat the condensate in a circuit formed as a condensing steam turbine plant system.
  • a water injection in an outlet region of the Controlled turbine which can advantageously provide an additional cooling effect.
  • a safety monitoring takes place with respect to a temperature measured in a low-pressure part of the steam turbine, and the turbine fulfills predetermined uncertainty criteria (eg. excessive temperature and / or excessive Temperatursantrainstendenz) is switched off.
  • At least some of the components in a low-pressure part of the turbine, in particular moving blades and / or vanes, are manufactured in lightweight construction, for example using a fiber composite material (eg CFRP).
  • CFRP fiber composite material
  • Fig. 1 1 illustrates a steam turbine plant 10 with a steam turbine 12 and a control device 14 for controlling the steam turbine 12.
  • the turbine 12 comprises a high-pressure steam supply line 16 for supplying live steam via a controllable valve V1 and a low-pressure steam discharge 18, which leads in the illustrated embodiment to a (not shown) condenser of a steam cycle, from which after heating the condensate live steam is generated again.
  • live steam for example at a pressure of about 10 2 bar and a temperature of about 500 ° C
  • the supply line 16 at the input of the turbine 12 is supplied.
  • the vapor has a substantially reduced pressure and a substantially reduced temperature (eg, about 10 1 bar and about 200 ° C).
  • the steam expands further and emerges again at the outlet of the turbine 12 via the discharge line 18 at about 10 -1 bar and about 40 ° C. (eg 0.05 bar and 33 ° C.).
  • the thermal energy of the steam supplied to the turbine 12 is converted into mechanical turning work.
  • a turbine runner 22 extending through the turbine 12 is driven by blades 24 attached thereto and in turn drives an electrical generator 28 via an optional gear 26.
  • the turbine 12 could alternatively or additionally z.
  • Pumps or other units. Powerful pumps and / or compressors are z. B. often needed to implement large-scale industrial chemical processes.
  • the blades 24 alternate with vanes 30, which provide for a favorable flow of steam through the turbine.
  • the vanes 30 are secured to the inside of a turbine housing and project radially inwardly therefrom.
  • the turbine 12 in the exemplary embodiment illustrated comprises a total of six blade row pairs 30, 24.
  • FIG. 1 Rotor blades 24 of turbine 12 arranged on the right-hand side, which belong to a first expansion section or a low-pressure step group 12-2, whereas those in FIG Fig. 1 left blades are attributable to a second expansion section or a high-pressure stage group 12-1.
  • erosion-resistant blades 24 in the low-pressure part 12-2 or corresponding blade coatings fails in practice, however, because appropriate materials often have comparatively low allowable maximum temperatures, which can be easily exceeded in the turbine.
  • Turbine blades in the low pressure part of known turbines are therefore usually z. B. made of steel or titanium.
  • the blades 24 of the low-pressure stage group 12-2 can be very advantageously designed as lightweight vanes, optionally with a special coating.
  • control device 14 a plurality of measured variables are entered, such as a temperature T, which is detected by a arranged in the low-pressure stage 12-2 temperature sensor 42, a speed n and a torque TQ, which by a (not shown) sensors, for example in Range of the transmission 26 are detected.
  • a temperature T which is detected by a arranged in the low-pressure stage 12-2 temperature sensor 42
  • a speed n and a torque TQ which by a (not shown) sensors, for example in Range of the transmission 26 are detected.
  • the control device 14 By means of an evaluation of the supplied operating parameters T, n, TQ,..., The control device 14 generates a plurality of output signals for controlling various system components.
  • control signals sv1 and sv2 for example, the valves V1 and V2 designed as infinitely controllable are actuated at the steam supply lines 16 and 40.
  • valve V1 In a normal operation, such as under full load, the valve V1 is open and the valve V2 is closed.
  • the control device 14 detects on the basis of the detected operating parameters an excessive increase in temperature in the range of the output stage 12-2 and a low-load operation, which due to the effect of ventilation such a temperature increase to be afraid. In such a case, the control device 14 counteracts a temperature increase by a special operating mode, in which specially conditioned steam is introduced via the further steam supply line 40.
  • the relatively low power of the turbine 12 is thus largely or even substantially only by means of the supply line 40 subsequent low pressure part of the turbine 12 is generated.
  • a ventilation in this area is advantageously avoided and the temperature remains low (or decreases).
  • this particular mode of operation by simultaneously closing or essentially closing the valve V1, the high pressure side supplied steam flow and thus the power generation in the high pressure stage 12-1 can be switched off or reduced.
  • the effect achieved according to the invention can, for. B. by an additional water injection in the range of the final stage 12-2, especially in a so-called Abdampfgephinuses the power amplifier 12-2, are still supported.
  • a cooling water injection can, for. B. in the mentioned special operating mode of the control device 14 and (quantitatively) controlled, preferably in dependence on operating parameters, which are detected during this mode of operation on the turbine 12.
  • FIG. 3 is a flowchart for illustrating the turbine control effected by the control device 14, which can be realized for example by means of software running in the control device 14.
  • the processing starts in a step S10.
  • a torque (eg clutch torque) TQ is smaller than a predetermined threshold value TQa.
  • step S14 it is checked in a step S14 whether the temperature T measured in the output stage 12-2 is greater than a predetermined threshold value Ta.
  • step S12 if the torque TQ is comparatively small (step S12) or the temperature T is relatively large (step S14), the processing proceeds to step S16, in which the valve V1 is closed and the valve V2 is opened.
  • the "special operating mode" is activated, which counteracts the temperature increase in the final stage of the turbine 12.
  • step S18 This particular mode of operation is in the illustrated embodiment only deactivated again when both the torque TQ is greater than a predetermined threshold TQb (step S18) and the temperature T is less than a predetermined threshold Tb (step S20). Only if the result of both polls is positive, the processing proceeds to a step S22, at which the special operating mode is again deactivated by the valve V1 is opened again and the valve V2 is closed again. Then, the processing returns to step S12.
  • the "special operating mode" which in the simplest case is a switching of the steam supply from the high-pressure side supply via the line 16 to the intermediate supply via the line 40, can in practice be adapted in many ways to the respective requirements.
  • a control carried out as a function of the detected operating parameters in particular stepless control of the valves V1 and / or V2.
  • the possibility may be mentioned that, in particular on the basis of the measured temperature T, it is possible to control the system 10 with the aim of keeping this temperature T within a certain range or below a certain maximum temperature.
  • z. B. a temperature control can be provided.
  • Such a temperature control can, for. Example, consist of proportional, integral and differential components, and optionally have a pilot control in dependence on the torque or the rotational power.
  • the turbine 12 may be in the special operating mode z. B. controlled speed controlled or power controlled or regulated to certain characteristics of the driven system components (eg generator 28).
  • control device can control a water injection in order to achieve an additional cooling effect.
  • the design of the turbine 12 and its control advantageously allows a reduction or complete elimination of the ventilation in low load or idle mode, thus advantageously the occurring in such an operating condition temperature increase in the low pressure part can be avoided.
  • At least some of the rotor blades in the low-pressure part of the turbine are made of lightweight construction, in particular of fiber composite material (eg CFRP), optionally with a coating (to increase the resistance to drop impact erosion).
  • CFRP fiber composite material
  • a coating to increase the resistance to drop impact erosion.
  • Such a coating is necessary in practice, in particular for many fiber composite materials, since these materials z. B. have a lower drop resistance compared to hardened steel.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei einer Dampfturbine wird die thermische Energie von der Turbine zugeführtem Dampf in mechanische Arbeit umgewandelt. Derartige bekannte Dampfturbinen umfassen einen hochdruckseitigen Dampfeinlass und einen niederdruckseitigen Dampfauslass. Ferner ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung zumindest des Dampfeinlasses, zumeist jedoch auch zur Steuerung weiterer Anlagenkomponenten einer die Dampfturbine beinhaltenden Dampfturbinenanlage vorgesehen. Eine sich durch die Turbine hindurch erstreckende Welle, der so genannte Turbinenläufer, wird mit Hilfe von Turbinenschaufeln angetrieben. Durch eine Kopplung des Läufers mit einem elektrischen Generator ermöglicht eine Dampfturbinenanlage z. B. die Erzeugung von elektrischer Energie.
  • Zum Antreiben des Läufers sind typischerweise Laufschaufeln und Leitschaufeln vorgesehen. Die Laufschaufeln sind am Läufer befestigt und rotieren mit diesem, wohingegen die Leitschaufeln zumeist feststehend an einem Turbinengehäuse angeordnet sind. Alternativ können die Leitschaufeln z. B. an einem so genannten Leitschaufelträger befestigt sein. Die Leitschaufeln sorgen für eine günstige Strömungsführung des Dampfes durch die Turbine, um eine möglichst effiziente Energieumsetzung zu erzielen. Bei dieser Umsetzung reduziert sich im Verlauf zwischen Dampfeinlass und Dampfauslass sowohl die Temperatur als auch der Druck des Dampfes.
  • Prinzipiell ist aus Effizienzgründen ein möglichst geringer Druck des auszulassenden Dampfes anzustreben. Ein mit niedrigen Auslassdrücken zusammenhängendes Problem ist jedoch die so genannte Tropfenschlagerosion, die zu einem hohen Verschleiß der Laufschaufeln führt.
  • Aufgrund des Erreichens des Sattdampfzustandes in einem Niederdruckteil der Turbine kann sich aus dem Dampf auskondensierte Feuchtigkeit niederschlagen und Wassertropfen in der Turbine ausbilden. Von der Dampfströmung mitgenommene Wassertropfen prallen mit hoher Energie auf die rotierenden Laufschaufeln, so dass diese einem entsprechenden Verschleiß unterliegen.
  • Da durch diesen Effekt selbst gehärteter Stahl abgetragen wird, ergibt sich in der Praxis ein hoher Aufwand zur Fertigung möglichst resistenter Laufschaufeln, beispielsweise durch Beschichtungen aus speziellem Material.
  • Abgesehen von den hohen Kosten speziell beschichteter Laufschaufeln ergibt sich oftmals das Problem, dass diese Laufschaufeln vergleichsweise niedrige maximale Einsatztemperaturen zulassen, beispielsweise nur bis etwa 120°C. Zwar ist es durchaus möglich, Dampfturbinenanlagen so auszulegen, dass im Normalbetrieb entsprechende Maximaltemperaturen in einem Niederdruckteil der Turbine nicht überschritten werden. Problematisch ist jedoch der in der Praxis hin und wieder erforderliche Leerlaufbetrieb oder Niedriglastbetrieb der Dampfturbine, bei welchem durch den Effekt der so genannten Ventilation die Temperatur im Niederdruckteil erhöht wird, beispielsweise auf etwa 200 bis 250°C oder mehr.
  • Bei der Ventilation wird der in vorangegangenen Turbinenteilen bereits weitgehend expandierte und abgekühlte Dampf im Niederdruckteil (z. B. Endstufe) durch die rotierenden Laufschaufeln wieder erhitzt.
  • Abgesehen davon, dass eine solche Ventilation die Energieumsetzungseffizienz im Niedriglastbereich verschlechtert, verhindert die erhöhte Temperatur den Einsatz einer Vielzahl von Materialien zur Fertigung von Laufschaufeln im Niedrigdruckteil, die ansonsten z. B. auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit gegenüber Stahl bevorzugt wären. Hierbei ist z. B. an die Verwendung von Faserverbundschaufeln (z. B. CFK) oder anderen Leichtbauschaufeln zu denken, deren Schaufelgrundmaterial und/oder gegebenenfalls vorgesehene Beschichtung nur eine niedrigere Maximaltemperatur zulässt.
  • Aus den Veröffentlichungen DE 198 23 251 C1 und DE 41 29 518 A1 sind Betriebsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Für diesen technischen Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, dass in Abhängigkeit von an der Dampfturbinenanlage erfassten Betriebsparametern gegebenenfalls eine zusätzliche Dampfzufuhr über eine weitere Dampfeinlasseinrichtung erfolgt, die im Turbinenverlauf zwischen einer hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung und einer niederdruckseitigen Dampfauslasseinrichtung der Dampfturbine angeordnet ist.
  • Bei dem Stand der Technik gemäß DE 198 23 251 C1 und DE 41 29 518 A1 dient die zusätzliche Dampfzufuhr zur Kühlung eines Niederdruckbereiches der Dampfturbine im Falle eines Auftretens der oben erwähnten Ventilation.
  • Die Veröffentlichungen US 4,793,132 , DE 100 42 317 A1 , WO 02/33226 A1 , EP 0 674 099 A1 und EP 0 314 028 A1 zeigen Dampfturbinenanlagen, bei denen ebenfalls eine zusätzliche Dampfzufuhr zwischen einer hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung und einer niederdruckseitigen Dampfauslasseinrichtung der Dampfturbine vorgesehen ist, dies jedoch im Normalbetrieb, zum Zwecke einer Steigerung der Leistungseffizienz der Dampfturbine.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Weg zur Vermeidung einer übermäßigen Ventilation bzw. eines übermäßigen Temperaturanstieges in einem Niederdruckteil einer Dampfturbine in einer Dampfturbinenanlage aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Betriebsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bei dem gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage umfassend eine Dampfturbine mit einer hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung, einer niederdruckseitigen Dampfauslasseinrichtung und einer im Verlauf zwischen diesen angeordneten weiteren Dampfeinlasseinrichtung wird in Abhängigkeit von an der Dampfturbinenanlage erfassten Betriebsparametern eine Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung gesteuert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen bestimmter Aktivierungskriterien ein spezieller Betriebsmodus mit einer gesteuerten Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung bei gleichzeitiger Reduzierung oder Abschaltung der Dampfzufuhr über die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung aktiviert wird, der bei Vorliegen bestimmter Deaktivierungskriterien wieder deaktiviert wird, wobei der für die Zufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung vorgesehene Dampf mit Werten von Temperatur und Druck konditioniert wird, die größer als diejenigen Werte von Temperatur und Druck sind, die sich ohne den zusätzlichen Dampfeinlass an dieser Stelle im Turbinenverlauf ergeben würden.
  • Mit der Erfindung wird somit in bestimmten Betriebssituationen ein weiterer Dampfeinlass alternativ zum hochdruckseitigen Dampfeinlass oder zusätzlich zum (in diesem Fall jedoch reduzierten) hochdruckseitigen Dampfeinlass aktiviert, um damit insbesondere eine übermäßige Ventilation zu vermeiden, wodurch vorteilhaft die bislang mit einer solchen Ventilation einhergehende Temperaturbeanspruchung der betreffenden Turbinenkomponenten verringert wird. Damit kann unter Umständen die Lebensdauer dieser Komponenten vorteilhaft verlängert werden. Darüber hinaus haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass eine verringerte Temperaturbeanspruchung im Niederdruckteil der Turbine vorteilhaft eine Ausbildung von Turbinenschaufeln in Leichtbauweise ermöglicht, insbesondere z. B. unter Einsatz eines Faserverbundmaterials wie z. B. CFK. Derartige Materialien wurden für die Fertigung dieser Turbinenschaufeln bislang überwiegend als nicht realisierbar erachtet.
  • Für die Erfindung ist des Weiteren wesentlich, dass ein speziell konditionierter Dampf für die Zufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung vorgesehen ist. Der dort bedarfsweise zugeführte Dampf ist hinsichtlich seiner Temperatur und seines Druckes derart konditioniert, dass die Werte von Temperatur und Druck größer als diejenigen Werte sind, die sich ohne den zusätzlichen Dampfeinlass an dieser Stelle im Turbinenverlauf ergeben würden.
  • Bei der Dampfturbinenanlage kann es sich beispielsweise um eine Industriedampfturbinenanlage handeln, bei welcher die Dampfturbine mit einem Generator zur elektrischen Energieerzeugung gekoppelt ist, dessen Leistung z. B. zwischen etwa 2 MW und 50 MW liegt. Die Erfindung ist jedoch auch für größere Anlagen zur Energieerzeugung geeignet, beispielsweise für großindustrielle Anlagen mit einer Leistung größer als 100 MW.
  • Hinsichtlich der mit der Erfindung gelösten Problematik kann es sich bei der Dampfturbinenanlage insbesondere um eine Kondensationsdampfturbinenanlage handeln, bei welcher der niederdruckseitig aus der Turbine ausgelassene Dampf kondensiert wird und z. B. in einem Kreislauf sodann wieder erhitzt wird, um den hochdruckseitig einzulassenden Frischdampf zu erzeugen.
  • Turbinen sind zur Erzielung eines möglichst großen Wirkungsgrades zumeist in mehrere Turbinenstufen aufgeteilt, wobei eine solche Stufe aus einer Leitschaufelreihe und einer stromabwärts benachbarten Laufschaufelreihe besteht. Die einzelnen Schaufeln einer Reihe erstrecken sich hierbei auf gemeinsamer axialer Höhe, jedoch in Umfangsrichtung winkelmäßig zueinander versetzt in verschiedene Radialrichtungen.
  • Eine oder mehrere hochdruckseitig (eingangsseitig) vorgesehene Stufen können als "Hochdruckteil" bezeichnet werden, wohingegen eine oder mehrere Stufen am Turbinenende, also niederdruckseitig (ausgangsseitig) üblicherweise als "Niederdruckteil" oder "Endstufe (n)" der Turbine bezeichnet werden.
  • Unabhängig davon kann die Gesamtheit der hintereinander angeordneten Turbinenstufen auch konstruktiv bzw. baulich in Gruppen aufgeteilt sein, die jeweils ein eigenes Turbinengehäuse ("Trommel") aufweisen können, oder in einem gemeinsamen Turbinengehäuse untergebracht sind. Bei manchen Konstruktionen könnte man etwa auch von einer Hochdruckstufengruppe, einer Mitteldruckstufengruppe und einer Niederdruckstufegruppe sprechen.
  • Die Bezeichnungssystematik der Turbinen und der allgemeine Sprachgebrauch sehen zumeist jedenfalls Hochdruckstufen und Niederdruckstufen vor. Diese können, müssen aber nicht jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein (welches z. B. durch eine Rohrleitung mit dem benachbarten Gehäuse verbunden sein kann).
  • Die weitere Dampfeinlasseinrichtung ist besonders bevorzugt in einem Niederdruckteil der Turbine angeordnet, insbesondere am Eingang einer "Endstufe". Der Ausgang der letzten Endstufe kann dann z. B. unmittelbar mit einem Kondensator zur Kondensation des niederdruckseitig ausgelassenen Dampfes verbunden sein.
  • Die Erfindung ist insbesondere interessant für Dampfturbinen, bei welchen der Druck des über die niederdruckseitige Dampfauslasseinrichtung auszulassenden Dampfes um mindestens einen Faktor 102 kleiner als der Druck des über die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung einzulassenden Dampfes ist.
  • Der hochdruckseitig einzulassende Dampf kann z. B. einen Druck von mehr als 10 bar besitzen, wohingegen der niederdruckseitig auszulassende Dampf einen Druck von weniger als 0,5 bar besitzen kann.
  • Der bedarfsweise über die weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführte Dampf besitzt bevorzugt einen Druck und eine Temperatur, die jeweils zwischen den entsprechenden Werten des hochdruckseitigen Dampfeinlasses und des niederdruckseitigen Dampfauslasses liegen, wobei der Druck und/oder die Temperatur des über die weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführten Dampfes bevorzugt nennenswert größer als die an dieser Stelle der Turbine für den gleichen Betriebszustand der Turbine ohne einen solchen zusätzlichen Dampfeinlass zu erwartenden Werte sind. Damit kann eine Ventilation stromabwärts des weiteren Dampfeinlasses zuverlässig vermieden werden.
  • Die bevorzugt am Eingang eines Niederdruckteils der Dampfturbine angeordnete weitere Dampfeinlasseinrichtung umfasst bevorzugt ein steuerbares Ventil, mit welchem die bedarfsweise Dampfzufuhr gesteuert werden kann. Besonders bevorzugt ist an dieser Stelle die Verwendung eines Proportionalventils, mittels welchem der Dampfstrom exakt auf ein gewünschtes Ausmaß eingestellt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Erfassung eines Niedriglastbetriebs der Dampfturbine die Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung bewirkt wird. Ein Niedriglastbetrieb kann beispielsweise anhand einer Auswertung eines aktuell von der Turbine gelieferten Drehmoments bzw. einer aktuell gelieferten Drehleistung erfasst werden (z. B. an einer Kupplung des Turbinenläufers).
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bei Erfassung einer bestimmten Temperaturerhöhung in einem Niederdruckteil der Dampfturbine die Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung bewirkt wird. Eine solche Temperaturerhöhung kann im einfachsten Fall als Überschreitung einer vorbestimmten Temperaturschwelle definiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperaturerhöhung auch unter Berücksichtigung einer aktuellen Temperaturänderungsrate erfasst werden.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern auch die Dampfzufuhr über die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung gesteuert wird. Hierfür kann die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung ein Ventil, beispielsweise ein Proportionalventil umfassen.
  • In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei Erfassung eines Niedriglastbetriebs und/oder bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperaturerhöhung ein Ventil der hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung geschlossen und stattdessen ein Ventil der weiteren Dampfeinlasseinrichtung geöffnet wird. Dies stellt einen "speziellen Betriebsmodus" dar, mittels welchem vorteilhaft einer Temperaturerhöhung auf Grund von Ventilation in einem Niederdruckteil der Turbine entgegengewirkt werden kann.
  • Die beiden genannten Ventile können bei entsprechender Ausbildung und Ansteuerung stufenlos einstellbar sein. In dem genannten speziellen Betriebsmodus kann dann beispielsweise das Ventil der weiteren Dampfeinlasseinrichtung, je nach Bedarf, mehr oder weniger geöffnet werden, wobei das Ventil der hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung bevorzugt in korrespondierender Weise mehr oder weniger geschlossen wird. Es muss also keineswegs eine schlagartige Umstellung der Dampfzufuhr erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist eine in Abhängigkeit von aktuell erfassten Betriebsparametern ausgelöste weitere Dampfzufuhr, bei welcher die hochdruckseitige Dampfzufuhr verringert wird.
  • In der Praxis ist zumeist von Vorteil, wenn selbst bei nennenswerter Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung der hochdruckseitige Dampfeinlass nicht vollständig geschlossen wird, sondern z. B. zumindest die so genannte "Kühldampfmenge" durch den hochdruckseitigen Teil der Turbine geführt wird. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der durch die Dampfversorgung im Niederdruckteil angetriebene Turbinenläufer zu einer Ventilation im Hochdruckteil der Turbine führt.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erfassten Betriebsparameter ein an einem Turbinenläufer gemessenes Drehmoment umfassen.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erfassten Betriebsparameter eine in einem Niederdruckteil der Dampfturbine gemessene Temperatur umfassen.
  • Alternativ oder zusätzlich können weitere Betriebsparameter der Anlage, insbesondere der Turbine, gemessen werden, wie z. B. eine Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Turbinenläufers. Aus erfasstem Drehmoment und erfasster Drehzahl des Läufers lässt sich z. B. eine aktuelle Drehleistung des Turbinenläufers ableiten.
  • Erfindungsgemäß ist des Weiteren vorgesehen, dass bei Vorliegen bestimmter Aktivierungskriterien der spezielle Betriebsmodus mit einer gesteuerten Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung aktiviert wird, der bei Vorliegen bestimmter Deaktivierungskriterien wieder deaktiviert wird. Entsprechende Kriterien für eine Aktivierung des Betriebsmodus wurden oben bereits erläutert. Insbesondere ist hierfür eine Temperatur und/oder eine Temperaturerhöhung im Niederdruckteil der Turbine interessant. Daneben eignet sich z. B. die Erfassung eines Niedriglastbetriebs der Dampfturbine, weil ein solcher Niedriglastbetrieb über den Effekt der Ventilation einen baldigen Temperaturanstieg im Niederdruckteil befürchten lässt.
  • Die Überprüfung auf das Vorliegen der Aktivierungskriterien und Deaktivierungskriterien kann z. B. mittels geeigneter Software oder mittels einer elektronisch gespeicherten Nachschlagtabelle realisiert sein.
  • Die Kriterien anhand derer eine Aktivierung und Deaktivierung des speziellen Betriebsmodus ("weiterer Dampfeinlass") ausgelöst wird, und/oder andere Kriterien, können sodann während des speziellen Betriebsmodus fortlaufend überprüft werden, um eine Steuerung oder Regelung der Turbine und/oder anderer Anlagenkomponenten im speziellen Betriebsmodus vorzunehmen.
  • Gemäß einer Weiterbildung wird in dem speziellen Betriebsmodus ferner eine Erhöhung der mechanischen Leistungsaufnahme der von der Turbine angetriebenen Anlagenkomponenten bewirkt. Neben einer Ansteuerung einer erhöhten Leistungsaufnahme der ohnehin vorhandenen Leistungsabnehmer (z. B. elektrischer Generator) kommt hierfür auch die "Zuschaltung" von eigens hierfür vorgesehenen Leistungsabnehmern in Betracht. Es kann also z. B. ein zusätzlicher Leistungsaufnehmer in den Strang integriert werden, der im Leerlaufbetrieb Leistung aufnimmt und z. B. in Wärme verwandelt, die abgeführt wird. Dadurch wird ebenfalls die Ventilation in den Endstufen reduziert. Auch kann Leistung von einem mit der Turbine gekoppelten elektrischen Generator über Heizwiderstände in Wärme verwandelt werden.
  • Die zusätzliche, durch Erhöhung der mechanischen Leistungsaufnahme bereitgestellte Leistung kann z. B. zum Heizen des der Turbine eingangsseitig und/oder über die weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführten Mediums (z. B. Wasser) verwendet werden. Insbesondere kann diese Leistung dazu genutzt werden, das Kondensat in einem Kreislauf einer als Kondensationsdampfturbinenanlage ausgebildeten Anlage vorzuerwärmen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird in Abhängigkeit von den an der Dampfturbinenanlage erfassten Betriebsparametern auch eine Wassereinspritzung in einem Ausgangsbereich der Turbine angesteuert, welche vorteilhaft einen zusätzlichen Kühleffekt liefern kann.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem speziellen Betriebsmodus, bei welchem eine gesteuerte Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung erfolgt, eine Sicherheitsüberwachung im Hinblick auf eine in einem Niederdruckteil der Dampfturbine gemessene Temperatur erfolgt, und die Turbine bei Erfüllung vorbestimmter Unsicherheitskriterien (z. B. übermäßige Temperatur und/oder übermäßige Temperatursanstiegstendenz) abgeschaltet wird.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Komponenten in einem Niederdruckteil der Turbine, insbesondere Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln, in Leichtbauweise hergestellt sind, beispielsweise unter Verwendung eines Faserverbundmaterials (z. B. CFK).
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung wesentlicher Komponenten einer Dampfturbinenanlage, und
    Fig. 2
    ein Ablaufschema eines bei der Turbinenanlage von Fig. 1 verwendbaren Betriebsverfahrens.
  • Fig. 1 veranschaulicht eine Dampfturbinenanlage 10 mit einer Dampfturbine 12 und einer Steuereinrichtung 14 zur Steuerung der Dampfturbine 12.
  • Die Turbine 12 umfasst eine hochdruckseitige Dampfzuleitung 16 zur Zufuhr von Frischdampf über ein steuerbares Ventil V1 und eine niederdruckseitige Dampfableitung 18, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zu einem (nicht dargestellten) Kondensator eines Dampfkreislaufes führt, aus welchem nach Erhitzen des Kondensats wieder Frischdampf erzeugt wird.
  • Im Normalbetrieb der Anlage 10 wird Frischdampf, beispielsweise mit einem Druck von etwa 102 bar und einer Temperatur von etwa 500°C, über die Zuleitung 16 am Eingang der Turbine 12 zugeführt. In einem mittleren Bereich der Turbine 12 besitzt der Dampf aufgrund vorausgegangener Expansion einen wesentlich verringerten Druck und eine wesentlich verringerte Temperatur (z. B. etwa 101 bar und etwa 200°C). Im weiteren Verauf expandiert der Dampf weiter und tritt am Ausgang der Turbine 12 über die Ableitung 18 mit etwa 10-1 bar und etwa 40°C wieder aus (z. B. 0,05 bar und 33°C).
  • In an sich bekannter Weise wird die thermische Energie des der Turbine 12 zugeführten Dampfes in mechanische Dreharbeit umgewandelt. Ein durch die Turbine 12 sich hindurch erstreckender Turbinenläufer 22 wird durch daran befestigte Laufschaufeln 24 angetrieben und treibt wiederum über ein gegebenenfalls vorgesehenes Getriebe 26 einen elektrischen Generator 28 an. Abweichend von dem dargestellten Beispiel könnte die Turbine 12 alternativ oder zusätzlich z. B. Pumpen, Verdichter oder andere Einheiten antreiben. Leistungsstarke Pumpen und/oder Verdichter werden z. B. oftmals zur Implementierung großindustrieller chemischer Prozesse benötigt.
  • Innerhalb der Turbine 12 wechseln sich in Axialrichtung betrachtet die Laufschaufeln 24 mit Leitschaufeln 30 ab, welche für eine günstige Strömungsführung des Dampfes durch die Turbine sorgen. Die Leitschaufeln 30 sind an der Innenseite eines Turbinengehäuses befestigt und stehen radial nach innen gerichtet davon ab.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfasst die Turbine 12 im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Schaufelreihenpaare 30, 24.
  • Im Hinblick auf einen möglichst guten Wirkungsgrad bei der Umsetzung der thermischen Energie in mechanische Arbeit und letztlich elektrische Energie ist ein möglichst geringer Enddruck des niederdruckseitig (nach dem letzten Schaufelpaar 30, 24) über die Ableitung 18 austretenden Dampfes von Vorteil.
  • Mit einem niedrigen Enddruck ging jedoch bislang das gravierende Problem der Tropfenschlagerosion einher, die zu einem hohen Verschleiß der Laufschaufeln im Niederdruckteil der Turbine führt. Im dargestellten Beispiel wären hiervon also die in Fig. 1 weiter rechts angeordneten Laufschaufeln 24 der Turbine 12 betroffen, welche einem ersten Expansionsabschnitt bzw. einer Niederdruckstufengruppe 12-2 angehören, wohingegen die in Fig. 1 links befindlichen Schaufeln einem zweiten Expansionsabschnitt bzw. einer Hochdruckstufengruppe 12-1 zuzurechnen sind.
  • Der Einsatz möglichst erosionsbeständiger Laufschaufeln 24 im Niederdruckteil 12-2 bzw. entsprechender Laufschaufelbeschichtungen scheitert in der Praxis jedoch daran, dass entsprechende Materialien oftmals vergleichsweise geringe zulässige Maximaltemperaturen besitzen, welche in der Turbine leicht überschritten werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass es bei einer Dampfturbine der dargestellten Art Betriebsituationen wie insbesondere einen Niedriglastbetrieb oder Leerlauf gibt, bei denen die thermische Energie des zugeführten Frischdampfes in großem Ausmaß bereits durch den Hochdruckteil der Turbine umgewandelt wird und der sodann den Niederdruckteil der Turbine durchströmende Dampf durch den Effekt der so genannten Ventilation wieder aufgeheizt wird. Turbinenschaufeln im Niederdruckteil bekannter Turbinen sind daher üblicherweise z. B. aus Stahl oder Titan gefertigt.
  • Bei einer Ventilation in der Niederdruckstufengruppe 12-2 würde ein Teil der Drehenergie des Läufers 22 mittels der rotierenden Laufschaufeln 24 in Wärmeenergie des Dampfes zurückgewandelt. In der Praxis könnte durch diesen Effekt eine im Normalbetrieb etwa 40°C betragende Laufschaufeltemperatur ohne weiteres bis auf etwa 200 bis 250°C oder mehr überhöht werden.
  • Bei der dargestellten Anlage 10 ist diese Problematik jedoch in nachfolgend beschriebener Weise beseitigt, so dass beispielsweise die Laufschaufeln 24 der Niederdruckstufengruppe 12-2 sehr vorteilhaft als Leichtbauschaufeln, gegebenenfalls mit einer speziellen Beschichtung, ausgebildet werden können.
  • Wesentlich ist hierfür eine im Verlauf zwischen der Dampfzuleitung 16 und der Dampfableitung 18, im dargestellten Ausführungsbeispiel am Eingang der Niederdruckstufengruppe 12-2 angeordnete weitere Dampfeinlasseinrichtung (weitere Dampfzuleitung 40 mit steuerbarem Ventil V2), wobei eine Dampfzufuhr über diese weitere Dampfeinlasseinrichtung 40, V2 von der Steuereinrichtung 14 in Abhängigkeit von (insbesondere z. B. an der Turbine) erfassten Betriebsparametern gesteuert wird.
  • Hierzu werden der Steuereinrichtung 14 eine Vielzahl von Messgrößen eingegeben, wie beispielsweise eine Temperatur T, die mittels eines in der Niederdruckstufe 12-2 angeordneten Temperatursensors 42 erfasst wird, eine Drehzahl n und ein Drehmoment TQ, welche durch eine (nicht dargestellte) Sensorik beispielsweise im Bereich des Getriebes 26 erfasst werden.
  • Mittels einer Auswertung der zugeführten Betriebsparameter T, n, TQ, ... erzeugt die Steuereinrichtung 14 eine Vielzahl von Ausgangssignalen zur Ansteuerung verschiedener Anlagenkomponenten. Durch Steuersignale sv1 und sv2 werden beispielsweise die als stufenlos ansteuerbar ausgebildeten Ventile V1 und V2 an den Dampfzuleitungen 16 und 40 angesteuert.
  • In einem Normalbetrieb, etwa unter Volllast, ist das Ventil V1 geöffnet und das Ventil V2 geschlossen.
  • Die Steuereinrichtung 14 erkennt anhand der erfassten Betriebsparameter einen übermäßigen Temperaturanstieg im Bereich der Endstufe 12-2 sowie einen Niedriglastbetrieb, welcher auf Grund des Effekts der Ventilation einen solchen Temperaturanstieg befürchten lässt. In einem solchen Fall wirkt die Steuereinrichtung 14 einem Temperaturanstieg durch einen speziellen Betriebsmodus entgegen, bei welchem speziell konditionierter Dampf über die weitere Dampfzuleitung 40 eingelassen wird. Die relativ geringe Leistung der Turbine 12 wird damit größtenteils oder sogar im Wesentlichen nur mittels des der Zuleitung 40 nachfolgenden Niederdruckteils der Turbine 12 erzeugt. Durch die Leistungserzeugung stromabwärts der Zuleitung 40 wird vorteilhaft eine Ventilation in diesem Bereich vermieden und die Temperatur bleibt gering (bzw. verringert sich). In diesem speziellen Betriebsmodus kann durch gleichzeitiges Schließen oder im Wesentlichen Schließen des Ventils V1 der hochdruckseitig zugeführte Dampfstrom und damit die Leistungserzeugung in der Hochdruckstufe 12-1 abgeschaltet bzw. reduziert werden.
  • Der erfindungsgemäß erzielte Effekt kann z. B. durch eine zusätzliche Wassereinspritzung im Bereich der Endstufe 12-2, insbesondere in einem so genannten Abdampfgehäuses der Endstufe 12-2, noch unterstützt werden. Eine solche kühlend wirkende Wassereinspritzung kann z. B. in dem erwähnten speziellen Betriebsmodus von der Steuereinrichtung 14 bewirkt und (mengenmäßig) gesteuert werden, bevorzugt in Abhängigkeit von Betriebsparametern, die während dieses Betriebsmodus an der Turbine 12 erfasst werden.
  • Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der von der Steuereinrichtung 14 bewirkten Turbinensteuerung, die beispielsweise mittels in der Steuereinrichtung 14 ablaufender Software realisiert werden kann.
  • Die Verarbeitung beginnt in einem Schritt S10.
  • In einem Schritt S12 wird überprüft, ob ein Drehmoment (z. B. Kupplungsmoment) TQ kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert TQa ist.
  • Falls dies nicht der Fall ist so wird in einem Schritt S14 überprüft, ob die in der Endstufe 12-2 gemessene Temperatur T größer als ein vorbestimmter Schwellwert Ta ist.
  • Falls auch dies nicht der Fall ist, so geht die Verarbeitung zurück zum Schritt S12.
  • Falls jedoch das Drehmoment TQ vergleichsweise klein ist (Schritt S12) oder die Temperatur T relativ groß ist (Schritt S14), so schreitet die Verarbeitung zu einem Schritt S16, in welchem das Ventil V1 geschlossen wird und das Ventil V2 geöffnet wird. Damit ist der "spezielle Betriebsmodus" aktiviert, der dem Temperaturanstieg in der Endstufe der Turbine 12 entgegenwirkt.
  • Dieser spezielle Betriebsmodus wird im dargestellten Ausführungsbeispiel erst dann wieder deaktiviert, wenn sowohl das Drehmoment TQ größer als ein vorbestimmter Schwellwert TQb ist (Schritt S18) als auch die Temperatur T kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert Tb ist (Schritt S20). Nur wenn das Ergebnis beider Abfragen positiv ist, so schreitet die Verarbeitung zu einem Schritt S22, bei welchem der spezielle Betriebsmodus wieder deaktiviert wird, indem das Ventil V1 wieder geöffnet und das Ventil V2 wieder geschlossen wird. Sodann kehrt die Verarbeitung zum Schritt S12 zurück.
  • Die zur Deaktivierung herangezogenen Schwellwerte TQb und Tb können den entsprechenden Schwellwerten für die Aktivierung entsprechen, d. h. es kann TQb = TQa und Tb = Ta gelten. Alternativ und bevorzugt ist es jedoch, wenn hinsichtlich wenigstens einer Schwellwertart (für Drehmoment oder Temperatur) eine Hysterese vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist z. B. TQb um einen vorbestimmten Hysteresewert größer als TQa und ist Tb um einen vorbestimmten Hysteresewert kleiner als Ta.
  • Es versteht sich, dass abweichend von diesen Aktivierungs- und Deaktivierungskriterien in der Praxis auch andere von der Steuereinrichtung 14 erfasste Betriebsparameter herangezogen werden können.
  • Auch der "spezielle Betriebsmodus", der im einfachsten Fall eine Umschaltung der Dampfzufuhr von der hochdruckseitigen Zufuhr über die Leitung 16 zur Zwischenzufuhr über die Leitung 40 ist, kann in der Praxis in vielfältiger Weise den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere kommt in Betracht, während des speziellen Betriebsmodus eine in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern durchgeführte Ansteuerung, insbesondere stufenlose Ansteuerung der Ventile V1 und/oder V2 vorzusehen. Lediglich beispielhaft sei hierzu die Möglichkeit erwähnt, dass insbesondere auf Basis der gemessenen Temperatur T eine Steuerung der Anlage 10 mit dem Ziel erfolgen kann, diese Temperatur T in einem bestimmten Bereich bzw. unter einer gewissen Maximaltemperatur zu halten. Hierfür kann z. B. eine Temperaturregelung vorgesehen werden. Eine solche Temperaturregelung kann z. B. aus Proportional-, Integral- und Differentialanteilen bestehen, und gegebenenfalls eine Vorsteuerung in Abhängigkeit von dem Drehmoment oder der Drehleistung aufweisen.
  • Die Turbine 12 kann im speziellen Betriebsmodus z. B. drehzahlgeregelt oder leistungsgeregelt gefahren werden oder auf bestimmte Kenngrößen der angetriebenen Anlagenkomponenten (z. B. Generator 28) geregelt werden.
  • Zur garantierten Abnahme einer Mindestleistung in dem speziellen Betriebsmodus kann vorgesehen sein, dass mechanische Energie in thermische umgewandelt wird, solange über die normalerweise angetriebenen Anlagenkomponenten nicht ausreichend Leistung konsumiert wird, um Ventilation im Niederdruckteil zu vermeiden. Dies kann z.B. über Heizwiderstände, die über seperate Wicklungen oder über eine spezielle Schaltung der vorhandenen Wicklungen eines elektrischen Generators gespeist werden, geschehen.
  • Die Erfindung kann mit weiteren temperatursenkenden Maßnahmen kombiniert werden. Beispielsweise kann von der Steuereinrichtung während des speziellen Betriebsmodus eine Wassereinspritzung angesteuert werden, um eine zusätzliche Kühlwirkung zu erzielen.
  • Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen sollte überwacht werden, etwa um in kritischen Betriebssituationen ein rasches Abschalten der Turbine zu ermöglichen.
  • Zusammenfassend erlaubt die Gestaltung der Turbine 12 und deren Ansteuerung vorteilhaft eine Reduzierung oder gänzliche Beseitigung der Ventilation im Niedriglast- oder Leerlaufbetrieb, womit vorteilhaft die in einem solchen Betriebszustand auftretende Temperaturüberhöhung im Niederdruckteil vermieden werden kann.
  • Da die letzte Stufe einer Kondensationsdampfturbine zumeist eine begrenzende Komponente bezüglich maximaler Durchströmfläche bzw. maximaler Drehzahl der Turbine darstellt (Fliehkräfte führen zu hohen mechanischen Spannungen der rotierenden Bauteile), ist der mit der Erfindung ermöglichte Einsatz von Leichtbauschaufeln, insbesondere Faserverbundschaufeln auf Grund der deutlich geringeren Masse bei diesem Turbinentyp besonders vorteilhaft.
  • In einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Laufschaufeln im Niederdruckteil der Turbine in Leichtbauweise, insbesondere aus Faserverbundmaterial (z. B. CFK) hergestellt sind, gegebenenfalls mit einer Beschichtung (zur Erhöhung der Resistenz gegenüber Tropfenschlagerosion). Eine derartige Beschichtung ist in der Praxis insbesondere für viele Faserverbundmaterialien erforderlich, da diese Materialien z. B. im Vergleich zu gehärtetem Stahl eine geringere Tropfenschlagresistenz besitzen.
  • Durch die mit der Erfindung erreichte Absenkung der maximal auftretenden Temperatur an den Endstufenschaufeln wird der Einsatz von Leichtbauschaufeln mit entsprechenden Erosionsschutzsystemen oftmals überhaupt erst ermöglicht. Es ergeben sich vorteilhaft Möglichkeiten, Schaufelgrundmaterialien mit niedrigerer zulässiger Maximaltemperatur einzusetzen, z. B. Kunstharz bei Einsatz von faserverstärktem Kunststoff.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage umfassend eine Dampfturbine (12) mit einer hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung (16, V1), einer niederdruckseitigen Dampfauslasseinrichtung (18) und einer im Verlauf zwischen diesen angeordneten weiteren Dampfeinlasseinrichtung (40, V2), wobei in Abhängigkeit von erfassten Betriebsparametern (TQ, T) eine Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen bestimmter Aktivierungskriterien ein spezieller Betriebsmodus (S16) mit einer gesteuerten Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) bei gleichzeitiger Reduzierung oder Abschaltung der Dampfzufuhr über die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung (16, V1) aktiviert wird, der bei Vorliegen bestimmter Deaktivierungskriterien wieder deaktiviert (S22) wird, wobei der für die Zufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) vorgesehene Dampf mit Werten von Temperatur und Druck konditioniert wird, die größer als diejenigen Werte von Temperatur und Druck sind, die sich ohne den zusätzlichen Dampfeinlass an dieser Stelle im Turbinenverlauf ergeben würden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Erfassung eines Niedriglastbetriebs der Dampfturbine (12) die Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) bewirkt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei Erfassung einer bestimmten Temperaturerhöhung in einem Niederdruckteil (12-2) der Dampfturbine (12) die Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) bewirkt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem speziellen Betriebsmodus die Dampfzufuhr über die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung (16, V1) und die weitere Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung (40, V2) in Abhängigkeit von einer in einem Niederdruckteil (12-2) der Dampfturbine (12) gemessenen Temperatur (T) gesteuert werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erfassten Betriebsparameter (TQ, T) ein an einem Turbinenläufer (22) gemessenes Drehmoment (TQ) umfassen.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erfassten Betriebsparameter (TQ, T) eine in einem Niederdruckteil (12-2) der Dampfturbine (12) gemessene Temperatur (T) umfassen.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei von der Dampfturbine (12) angetriebene Anlagenkomponenten (26, 28) im speziellen Betriebsmodus (S16) zur Erhöhung der mechanischen Leistungsaufnahme angesteuert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die von der Dampfturbine (12) angetriebenen Anlagenkomponenten (26, 28) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der im speziellen Betriebsmodus aufgenommenen Leistung in Wärme zur Vorerwärmung des Kondensates in einem Kreislauf der als Kondensationsdampfturbinenanlage ausgebildeten Anlage (10) vorgesehen sind.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsparametern (TQ, T) auch eine Wassereinspritzung in einem Ausgangsbereich der Dampfturbine (12) angesteuert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem speziellen Betriebsmodus (S16) eine Sicherheitsüberwachung im Hinblick auf eine in einem Niederdruckteil (12-2) der Dampfturbine (12) gemessene Temperatur (T) erfolgt, und die Dampfturbine (12) bei Erfüllung vorbestimmter Unsicherheitskriterien abgeschaltet wird.
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