Turbinenschaufel

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren (10) zur Steigerung des Dampfmassenstroms einer Hochdruck-Dampfturbine (14) eines Dampfkraftwerks (10), insbesondere eines Dampfkraftwerks (10) mit Zwischenüberhitzung (38), während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks (10), insbesondere auch während eines Leerlaufs des Dampfkraftwerks (10), bei dem einem Generator (20) des Dampfkraftwerks (10) vor einer Synchronisation mit einem Stromversorgungsnetz wenigstens ein elektrischer Verbraucher (46) zugeschaltet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Dampfkraftwerk (10), mit einem Generator (20), einer Hochdruck-Dampfturbine (14) und wenigstens einem elektrischen Verbraucher (46), der während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks (10), insbesondere auch während eines Leerlaufs des Dampfkraftwerks, dem Generator (20) zugeschaltet werden kann, um vor einer Synchronisation des Generators (20) mit einem Stromversorgungsnetz einen Dampfmassenstrom der Hochdruck-Dampfturbine (14) zu erhöhen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Dampfmassenstroms einer Hochdruck-Dampfturbine eines Dampfkraftwerks, insbesondere eines Dampfkraftwerks mit Zwischenüberhitzung, während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks, insbesondere auch während eines Leerlaufs des Dampfkraftwerks.

[0002] Beim Starten bzw. Hochfahren eines fossil gefeuerten Kraftwerkes wird zunächst der Kessel des Kraftwerks auf Mindestlast gefahren (meist 30 bis 40%). Der während dieser Hochfahr-Phase erzeugte Frischdampf wird hierbei im (so genannten) Bypassbetrieb üblicherweise zunächst an der Dampfturbine vorbeigeleitet. Bei Anlagen mit Zwischenüberhitzung wird der Frischdampf hierbei über eine Hochdruck-Umleitstation geführt, auf ein niedrigeres Temperaturniveau abgespritzt und dann in den kalten Strang der Zwischenüberhitzung geleitet. Der Dampf, der den heißen Strang der Zwischenüberhitzung verlässt, wird über eine Mitteldruck-Umleitstation geführt und nach Kühlung mittels Einspritzwasser in den Kondensator geleitet. Durch ein hohes Druckniveau in der Zwischenüberhitzung (üblicherweise ca. 20-30 bar) ist dabei ist eine effektive Kühlung der mit Rauchgas beaufschlagten Zwischenüberhitzerrohre gewährleistet.

[0003] Wird aus diesem oben beschriebenen Bypassbetrieb heraus eine Hochdruck-Turbine des Dampfkraftwerks auf Nenndrehzahl beschleunigt, so führt der hohe Druck in dem kalten Strang der Zwischenüberhitzung am Austritt der Hochdruck-Turbine zu Temperaturen, die insbesondere beim Heiß- bzw. Warmstart deutlich höher liegen als im Nennlastbetrieb. Ursache hierfür ist geringer Temperaturabbau bzw. Ventilation in der Hochdruck-Turbine bei kleinen Massenströmen. Eine Steigerung dieses Leerlaufmassenstroms ist aufgrund der Drehzahlregelung nicht möglich, da der Turbinen-Generator-Strang noch keine Leistung an das Netz abgeben kann. Die Turbine erzeugt in dieser Phase nur die Verlustleistung von Lagern und Generator, die je nach Anlagengröße üblicherweise im Bereich von 2 bis 5 MW liegt. Erst nach der Synchronisation mit dem Netz kann diese Leistung gesteigert werden.

[0004] Die so vor der Synchronisation entstehenden hohen Temperaturen machen es erforderlich, dass der Abdampfbereich der Hochdruckturbine und die Leitung des kalten Strangs der Zwischenüberhitzung so ausgelegt werden müssen, dass sie den erhöhten Temperaturen standhalten, insbesondere auch den beim An- und Abfahren stark wechselnden Temperaturen. Dies ist gegenwärtig durch Verwendung von relativ kostengünstigen Werkstoffen bei der Auslegung der Turbine und der Leitung des kalten Strangs der Zwischenüberhitzung möglich. Um jedoch beim Heißstart in zukünftigen Anlagen gegenwärtig übliche Frischdampftemperaturen von ca. 565°C mit einer einhergehenden Hochdruck-Abdampftemperatur von ca. maximal 500°C auf maximal ca. 700°C mit zeitweise einhergehenden Abdampftemperaturen von ca. 580°C bis 600°C zu erhöhen, ist es erforderlich, auch im Hochdruck-Abdampfbereich und an dem kalten Strang der Zwischenüberhitzung deutlich teurere Werkstoffe, insbesondere 10%-Cr-Stahl zu verwenden.

[0005] Andere bekannte Lösungen verfolgen das Ziel einer geeigneten Kühlung. So wurden beispielsweise in der Vergangenheit auch so genannte Anfahrleitungen eingesetzt, die den Hochdruck-Abdampfraum zum Anfahren direkt mit dem Kondensator verbinden. Hierbei wird die Expansionslinie verlängert und die Ventilation in der Hochdruckturbine verhindert, indem man den Hochdruck-Abdampfdruck beim Anfahren und Leerlauf-Fahrten reduziert. Hierfür ist jedoch eine zusätzliche, relativ große Leitung und eine Wasserabspritzung erforderlich. Ferner ist es bekannt, andere Anfahrkonzepte zu verfolgen. So ist es beispielsweise bekannt, Rauchgas über Kesselklappen an Zwischenüberhitzerrohren vorbeizuführen. Diese müssen somit nicht gekühlt werden und ein Anfahren der Dampfturbine gegen sehr niedrige Drücke des kalten Strangs der Zwischenüberhitzung wird möglich. Bei einem anderen bekannten Anfahrkonzept läuft die Hochdruck-Turbine zunächst evakuiert mit und wird erst nach Synchronisierung mit dem Netz zugeschaltet.

[0006] Insgesamt betrachtet sind die oben beschriebenen Kühllösungen und Anfahrkonzepte als auch die Einbeziehung Hitze resistenter Materialien recht aufwendig und kostenintensiv, so dass Bedarf an verbesserten Lösungen zur Reduzierung der vor Netzsynchronisation auftretenden hohen Temperaturen besteht.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die sich vor Netzsynchronisation während einer Hochfahr-Phase eines Dampfkraftwerks einstellenden hohen Temperaturen ohne großen Aufwand und möglichst kostengünstig reduziert werden können.

[0008] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Verfahren zur Steigerung des Dampfmassenstroms einer Hochdruck-Dampfturbine eines Dampfkraftwerks, das insbesondere eine Zwischenüberhitzung aufweist, während einer Hochfahr-Phase, und insbesondere während eines Leerlaufs des Dampfkraftwerks gelöst, bei dem einem Generator des Dampfkraftwerks vor einer Synchronisation mit einem Stromversorgungsnetz wenigstens ein elektrischer Verbraucher zugeschaltet wird.

[0009] Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Leerlaufleistung auf der elektrischen Seite künstlich erhöht, einhergehend mit einer entsprechenden Erhöhung des Dampfmassenstroms bereits vor einer Synchronisation mit einem Stromversorgungsnetz. So kann erfindungsgemäß insbesondere die Hochdruckturbine eines Dampfkraftwerks mit einem erhöhten Dampfmassenstrom mehr Leistung erzeugen, derart, dass der Generator bereits frühzeitig erregt und dem Generator noch vor der Netzsynchronisierung elektrische Verbraucher zugeschaltet werden. Diese elektrisch erzeugte Leistung wird an elektrische Verbraucher, vorzugsweise in Form von Widerständen, abgegeben, die entsprechend gekühlt werden müssen. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einhergehende erhöhte Dampfmassenstrom bereits vor Netzsynchronisierung bewirkt, dass insbesondere die Hochdruckturbine im Leerlauf weniger ventiliert und daher der Abdampfbereich und die Leitung des kalten Strangs der Zwischenüberhitzung auch bei sehr hohen Frischdampftemperaturen mit kostengünstigeren Werkstoffen ausgelegt werden können, insbesondere weil die Temperaturunterschiede zwischen Leerlauf und Nennlastbetrieb nicht mehr so stark ausgeprägt sind.

[0010] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der elektrische Verbraucher, vorzugsweise in Form eines elektrischen Widerstands, in einem Speisewasserbehälter des Dampfkraftwerks angeordnet, um den elektrischen Verbraucher zu kühlen. Dies ist insofern von Vorteil als hier das relativ kalt einströmende Kondensat auf Sattdampftemperatur zum dem für die Entgasung benötigten Druck von üblicherweise 5 bis 10 bar aufgewärmt werden muss. So muss nicht übermäßig viel Dampfmassenstrom aus dem kalten Strang der Zwischenüberhitzung entnommen werden und es steht ein größerer Massenstrom zur Kühlung der Zwischenüberhitzerrohre zur Verfügung. Die hiermit einhergehende Energie kann genutzt werden, so dass letztlich eine Brennstoffeinsparung erzielt werden kann.

[0011] Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der elektrische Verbraucher in einem Kondensatsammelbehälter eines Kondensators des Dampfkraftwerks angeordnet. Die Anordnung der elektrischen Verbraucher im Kondensatsammelbehälter des Kondensators (Hotwell) hat keinen Einfluss auf die Wärmeleistung des Kondensators, da der Massenstrom über eine entsprechende Mitteldruck-Umleitstation entsprechend sinkt. Alternativ kann eine Kühlung des elektrischen Verbrauchers auch durch Anordnung des elektrischen Verbrauchers im Kühlwasser des Dampfkraftwerks erzielt werden, wobei zur Kühlung sowohl Hauptkühlwasser als auch Nebenkühlwasser verwendet werden kann.

[0012] Die Erfindung betrifft ferner ein Dampfkraftwerk, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, mit einem Generator, einer Hochdruck-Dampfturbine und wenigstens einem elektrischen Verbraucher, der während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks dem Generator zugeschaltet werden kann, um vor einer Synchronisation des Generators mit einem Stromversorgungsnetz einen Dampfmassenstrom der Hochdruck-Dampfturbine zu erhöhen. Der elektrische Verbraucher ist bevorzugt in einem Speisewasserbehälter des Dampfkraftwerks, in einem Kondensatorsammelbehälter eines Kondensators des Dampfkraftwerks oder im Kühlwasser des Dampfkraftwerks angeordnet.

[0013] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks zeigt.

[0014] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks 10. Das Dampfkraftwerk 10 umfasst unter anderem einen Kessel 12, eine Hochdruck-Turbine 14, eine Mitteldruck-Turbine 16, eine Niederdruck-Turbine 18, einen Generator 20, einem Kondensator 22 mit Sammelbehälter 24, einen Speisewasserbehälter 26 mit Entgaser, Frischdampfleitungen 28 und eine Stützleitung 30.

[0015] Beim Starten bzw. Hochfahren des Dampfkraftwerks 10 wird der Kessel 12 zunächst auf Mindestlast gefahren (meist 30-40%), wobei der erzeugte Dampf üblicherweise zunächst an der Hochdruck-Turbine 14 vorbeigeleitet wird (Bypassbetrieb). Der Bypassbetrieb wird hierbei durch Schließen des im Dampf-Einströmbereich der Hochdruck-Turbine 14 angeordneten Schnellschlussventils 32 bzw. Regelventils 34 realisiert, wobei der Frischdampf über eine Hochdruck-Umleitstation 36 geführt, auf ein niedrigeres Temperaturniveau abgespritzt und dann einer Zwischenüberhitzung 38 zugeführt wird, und zwar zunächst dem kalten Strang 40 der Zwischenüberhitzung. Der Dampf, der den heißen Strang 42 der ZÜ verlässt, wird über eine Mitteldruck-Umleitstation 44 geführt und nach Kühlung mittels Einspritzwasser in den Kondensator 22 geleitet. Durch ein hohes Druckniveau in der Zwischenüberhitzung 38 (üblicherweise ca. 20-30 bar) ist dabei eine effektive Kühlung der mit Rauchgas beaufschlagten Zwischenüberhitzerrohre gewährleistet.

[0016] Wird nun aus diesem Bypassbetrieb heraus nach Öffnung des Schnellschlussventils 32 bzw. Regelventils 34 die Hochdruck-Turbine 14 auf Nenndrehzahl beschleunigt, so führt der hohe Druck im kalten Strang 40 der Zwischenüberhitzung am Austritt der Hochdruck-Turbine 14 zu Temperaturen, welche insbesondere bei Heiß- bzw. Warmstart deutlich höher liegen als im Nennlastbetrieb. Der Grund dafür ist geringer Temperaturabbau bzw. Ventilation in der Hochdruck-Turbine 14 bei kleinen Dampf-Massenströmen. Eine Steigerung dieses Leerlaufmassenstroms ist aufgrund der Drehzahlregelung nicht möglich, da der Turbinen-Generator-Strang noch keine Leistung an das Netz abgeben kann. Erst nach der Synchronisation mit dem Netz kann die Leistung und damit der Massenstrom gesteigert werden, wobei jedoch die Temperaturdifferenzen zwischen dem Dampf und den Bauteilen der Turbinen nicht zu groß werden dürfen. Für den Abdampfbereich der Hochdruck-Turbine 14 und den kalten Strang 40 der Zwischenüberhitzung bedeutet dies, dass sie stark erhöhten und stark wechselnden Temperaturen ausgesetzt werden, die unter Umständen den Einsatz teurer Werkstoffe zur Auslegung des Abdampfbereichs der Hochdruck-Turbine 14 und des kalten Strangs 40 der Zwischenüberhitzung erfordern.

[0017] Um insbesondere auf den Einsatz teurer Hitze resistenter Werkstoffe verzichten zu können, ist erfindungsgemäß wenigstens ein elektrischer Verbraucher in Form eines elektrischen Widerstands 46 an den Generator 20 zuschaltbar gekoppelt (vgl. punktierte Linien in Figur 1). Der Widerstand 46 bzw. die Widerstände 46 können zu ihrer Kühlung erfindungsgemäß im Speisewasserbehälter 26, im Kondensatsammelbehälter 24 oder im Kühlwasser angeordnet sein. Wird erfindungsgemäß vor Synchronisation des Generators 20 mit einem Stromversorgungsnetz der Generator 20 frühzeitig erregt, so kann einer oder können mehrere der elektrischen Widerstände 46 zugeschaltet werden. So wird bereits vor Synchronisierung die Leerlaufleistung auf der elektrischen Seite künstlich erhöht, einhergehend mit einer entsprechenden Erhöhung des Dampfmassenstroms. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere in der Hochdruck-Turbine 14 die Expansionslinie im Leerlauf verlängert wird bzw. der Dampf weniger ventiliert und daher der Abdampfbereich und die Leitung des kalten Strangs 40 der Zwischenüberhitzung auch bei sehr hohen Frischdampftemperaturen mit kostengünstigen Werkstoffen ausgelegt werden können, insbesondere weil die Temperaturunterschiede zwischen Leerlauf und Nennlastbetrieb nicht mehr so stark ausgeprägt sind.

[0018] Bei Anordnung der elektrischen Widerstände 46 im Speisewasserbehälter 26 werden die Rohre der Zwischenüberhitzung 38 schon stärker gekühlt, da weniger Dampf aus dem kalten Strang 40 der Zwischenüberhitzung über die Stützleitung 30 auf den Speisewasserbehälter 26 gezogen werden muss, um eine Entgasung sicherzustellen.

[0019] Der im Leerlauf nun höhere Massenstrom durch die Hochdruck-Turbine 14 führt zu einem stärkeren Abbau der Enthalpie und somit zu niedrigeren Hochdruck-Abdampftemperaturen. Beispielsweise würde eine Erhöhung der Leerlaufleistung von 5 auf 15 MW (Annahme: Frischdampf-Temperatur 700°C, Druck im kalten Strang 40 der Zwischenüberhitzung 20 bar) eine Reduzierung der Hochdruck-Abdampftemperatur von 580°C auf 510°C bewirken.

Ansprüche

1. Verfahren zur Steigerung des Dampfmassenstroms einer Hochdruck-Dampfturbine (14) eines Dampfkraftwerks (10) während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks (10), bei dem einem Generator (20) des Dampfkraftwerks (10) vor einer Synchronisation mit einem Stromversorgungsnetz wenigstens ein elektrischer Verbraucher (46) zugeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) in einem Speisewasserbehälter (26) des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) in einem Kondensatsammelbehälter (24) eines Kondensators (22) des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) im Kühlwasser des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

5. Dampfkraftwerk (10),
mit einem Generator (20),
einer Hochdruck-Dampfturbine (14) und
wenigstens einem elektrischen Verbraucher (46),
der während einer Hochfahr-Phase des Dampfkraftwerks (10) dem Generator (20) zugeschaltet werden kann, um vor einer Synchronisation des Generators (20) mit einem Stromversorgungsnetz einen Dampfmassenstrom der Hochdruck-Dampfturbine (14) zu erhöhen.

6. Dampfkraftwerk nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) in einem Speisewasserbehälter (26) des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

7. Dampfkraftwerk nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) in einem Kondensatsammelbehälter (24) eines Kondensators (22) des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

8. Dampfkraftwerk nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (46) im Kühlwasser des Dampfkraftwerks (10) angeordnet ist.

Zeichnung