Sperrdampfeinspeisung

Abstract

 Dem Sperrdampfsystem einer Dampfturbine muss in manschen Betriebszuständen Zusatz-Sperrdampf zugeführt werden. Die Zufuhr von Zusatz-Sperrdampf aus der Frischdampfleitung ist mit erheblichen Problemen behaftet. Erfindungsgemäss wird daher das Sperrdampfsystem (9) über eine Anspeiseleitung (7) einer Entnahmestelle des Überhitzers des Kessels verbunden, so, dass die Temperatur des Zusatz-Sperrdampfes weit unterhalb der Frischdampfdaten liegt, und insbesondere mit der Materialtemperatur im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung (55)kompatibel ist.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Einspeisung von Sperrdampf in Wellendichtungen einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine von einem Kessel mit Frischdampf versorgt wird, welcher Kessel aus wenigstens einem Verdampfer und einem Überhitzer besteht, und wobei zumindest an einer Stelle des Überhitzers unterhalb der Frischdampftemperatur eine Entnahmestelle vorgesehen ist

Stand der Technik

[0002] An den Stellen von Dampfturbinengehäusen, an denen die Welle der Maschine das Gehäuse durchdringt, müssen Vorrichtungen vorgesehen werden, die das Eindringen von Luft in die Niederdruckturbinenstufen verhindern, wie auch den Austritt von Dampf aus Gehäusesektionen höheren Drucks in die Atmosphäre unterbinden. Dabei kommen wesentlich nur berührungslose Dichtungen in Frage, die selbstverständlich Restleckagemengen aufweisen.

[0003] Üblicherweise werden deshalb Systeme implementiert, in denen ein Sperrsystem den Austritt von Dampf aus der Hochdruck-Wellendichtung verhindert. Der Leckagedampf wird also in ein gesondertes System abgeführt, anstatt in die Atmosphäre zu strömen. Dieser Dampf kann zweckmässig zur Niederdruck-Wellendichtung geführt werden, wo er als Sperrdampf ausströmt, und Luft aus der Wellendichtung verdrängt.

[0004] Idealerweise befinden sich die Hochdruck-Leckagemenge und die Sperrdampfmenge zur Niederdruck-Wellendichtung im Gleichgewicht; jedoch werden üblicherweise Systeme vorgesehen, über die überschüssiger Leckagedampf beispielsweise in den Kondensator abgeführt, oder umgekehrt Zusatzsperrdampf zugeführt wird. Dabei ist die Zusatz-Sperrdampfeinspeisung insbesondere in transienten Betriebszuständen von Bedeutung, wenn beispielsweise beim Anfahren der Maschine der Druck in den Hochdruckgehäusen noch nicht ausreicht, um hinreichend viel Sperrdampf zu liefern. Im Falle stark angedrosselter oder geschlossener Regelventile muss den Hochdruck-Wellendichtungen gar Sperrdampf zugeführt werden.

[0005] Der Zusatzsperrdampf wird üblicherweise von der Frischdampfleitung gespiesen. Damit steht Sperrdampf mit den hohen thermodynamischen Daten des Frischdampfes am Turbineneintritt zur Verfügung, der sukzessive beispielsweise durch eine Wassereinspritzung auf Zustände reduziert wird, die insbesondere der Materialtemperatur von Welle und Gehäuse der Dampfturbine an der jeweiligen Dichtstelle angepasst sind.

[0006] Im transienten Betrieb einer Turbine resultieren aus der Einspeisung von Frischdampf in das Sperrdampfsystem insbesondere beim Anfahren oder einer Schnellabschaltung unzulässig grosse Temperatursprünge, mit denen das Gehäuse und die Wellenzapfen beaufschlagt werden. Derart plötzliche Veränderungen der Frischdampfdaten können durch eine Wassereinspritzung ausgeregelt werden. Jedoch ist die Reduktion der Dampftemperatur mittels Wassereinpritzung gerade bei Hochdruck-Wellendichtungen nicht unproblematisch: Es besteht die Gefahr, dass unverdampftes Wasser auf die heisse Welle gerät, was wiederum zu unerwünschten Thermoschocks führt.

[0007] Die beim Anfahren einer Anlage auftretenden Probleme lassen sich vorderhand durch eine hinreichend langsame Steigerung der Temperatur am Austritt des Überhitzers des Kessels - mithin also der Kessel-Feuerungstemperatur - beherrschbar gestalten. Insbesondere beim Betrieb von Kombi-Anlagen ergibt sich hieraus die Forderung, die Gasturbinen über einen längeren Zeitraum auf sehr geringer Last zu betreiben. Abgesehen von der schlechten Wirtschaftlichkeit eines solches Betriebes resultieren aus einer solchen Anlagenfahrweise nicht zu unterschätzende betriebstechnische Schwierigkeiten.

[0008] An dieser Stelle schlägt die EP 0 605 156 B1 vor, die Möglichkeit vorzusehen, die Frischdampfleitung von unterschiedlichen Temperaturniveaus des Kessels zu speisen. Während des Anfahrens der Turbine wird dabei die Zufuhr des am höchsten überhitzten Dampfes zur Frischdampfleitung ganz oder teilweise unterbrochen. Die Frischdampfversorgung erfolgt in diesem Falle aus einer Zwischenstufe des Überhitzers mit vermindertem Temperaturniveau. Durch eine Zumischung von Sattdampf aus der Kesseltrommel besteht eine weitere Möglichkeit, die Frischdampftemperatur zu steuern.

[0009] Abgesehen vom sehr hohen apparativen Aufwand, der zur Realisierung des in EP 0 605 156 B1 offenbarten Verfahrens notwendig ist, ist der thermodynamische Zustand des Dampfes, der als Zusatz-Sperrdampf zum Sperrdampfsystem geleitet wird, nach wie vor an den Frischdampfzustand gekoppelt. Daraus resultiert, dass auch bei Implementation der dort angegebenen Schaltung Massnahmen zur Konditionierung des Sperrdampfes in bestimmten Betriebszuständen notwendig sind. Insbesondere bei einer Dampfturbinen-Schnellabschaltung besteht damit auch bei Anwendung der Schaltung und des Verfahrens nach EP 0 605 156 B1 grosse Gefahr, insbesondere im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung die Welle und das Gehäuse mit unerlaubt grossen Temperatursprüngen zu beaufschlagen: Im Betrieb der Maschine ist der Dampf aus der Hochdruck-Wellendichtung nämlich mindestens über einige Labyrinthspitzen expandiert und somit bereits erheblich kühler als der Frischdampf. Bei einer Turbinen-Schnellabschaltung aber wird der Hochdruck-Wellendichtung plötzlich deutlich heisserer Frischdampf zugeführt. Wie oben erwähnt, kann auch eine Wassereinspritzung diesen Temperatursprung nicht kompensieren und führt weiterhin zu der Gefahr, Wassertropfen auf die Oberfläche der heissen Welle aufzubringen.

Darstellung der Erfindung

[0010] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ziel der Erfindung ist es, bei einer Schaltung zur Einspeisung von Dampf in das Sperrdampfsystem einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine von einem Kessel über eine Frischdampfleitung mit Frischdampf versorgt wird, welcher Kessel aus wenigstens einem Verdampfer und einem Überhitzer besteht, und wobei zumindest an einer Stelle des Überhitzers unterhalb der Frischdampftemperatur eine Entnahmestelle vorhanden ist, die Schaltung so auszuführen, dass die Sperrdampftemperatur den Materialtemperaturen im Bereich der Wellendichtungen angepasst ist.

[0011] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Entnahmestelle derart gewählt ist, dass die Dampftemperatur an dieser Entnahmestelle der Materialtemperatur im Bereich einer Hochdruck-Wellendichtung angepasst ist, dass eine Anspeiseleitung zum Sperrdampfsystem mit dieser Entnahmestelle verbunden ist, und dass die Anspeiseleitung und das Sperrdampfsystem vollkommen von der Frischdampfleitung isoliert sind.

[0012] Kern der Erfindung ist es also, die Versorgung der Dampfturbine mit dem notwendigen Zusatzsperrdampf von der Frischdampfversorgung der Maschine zu entkoppeln. Hierzu wird erfindunggemäss eine Ennahmestelle am Überhitzer des Kessels geschaffen, an welcher überhitzter Dampf unterhalb der Frischdampftemperatur entnommen wird, welcher als Zusatzsperrdampf genutzt wird.

[0013] Die Vorteile dieser Schaltung kommen insbesondere bei einer Schnellabschaltung der Dampfturbine zum Tragen, wenn die Dampfturbine bereits eine gewisse Zeit im Betrieb war, und die Bauteile der Maschine zum Beispiel im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung längere Zeit mit teilexpandiertem Hochdruckdampf aus dem Turbinengehäuse beaufschlagt war. Bei einer Turbinen-Schnellabschaltung muss den Wellendichtungen sehr schnell Zusatzsperrdampf zugeführt werden. Bei einer Schaltung, die dem zitierten Stand der Technik entspricht, wird dem Sperrdampfsystem Zusatzdampf mit Frischdampftemperatur zugeführt, der erst sukzessive bespielsweise durch eine Wassereinspritzung auf eine materialkompatible Temperatur abgekühlt wird. Diese Temperaturregelung ist selbstverständlich träge, weshalb Welle und Gehäuse in transienten Betriebszuständen mit schädlichen Temperatursprüngen beaufschlagt werden.

[0014] Erfindungsgemäss wird die Anspeiseleitung für den Zusatzsperrdampf daher mit einer Entnahmestelle des Überhitzers verbunden, an welcher Entnahmestelle die Dampftemperatur unterhalb der Frischdampftemperatur liegt und mit der Materialtemperatur von Welle und Gehäuse insbesondere im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung kompatibel ist. Vorzugsweise ist dabei eine Entnahmestelle des Überhitzers zu wählen, an welcher der Dampf mit einer Temperatur um 400 °C vorliegt.

[0015] Zur Regelung des Zusatzsperrdampfstromes in das Sperrdampfsystem ist mit Vorteil ein Regelventil in der Anspeiseleitung vorhanden. Diese regelt den Druck im Sperrdampfsystem, und gibt den Zusatzsperrdampf frei, wenn der Druck unter einen bestimmten Mindestwert fällt. Dabei ist es weiterhin sinnvoll, die Anspeiseleitung möglicht unmittelbar stromauf dieses Regelventils mit einer Entwässerungsvorrichtung zu versehen, oder sie so zu verlegen, dass sie sich selbsttätig entwässert: Da die Anspeiseleitung nicht fortwährend von Dampf durchströmt wird, kann sich hier Kondensat bilden, dessen Eindringen in das Sperrdampfsystem schädlich wäre.

[0016] In einem einfachen Fall kann die Anspeiseleitung unmittelbar von der Entnahmestelle des Überhitzers zum Sperrdampfsystem führen; bei einer entsprechenden Auslegung des Wasser-Dampf-Kreislaufes kann die Entnahmestelle des Überhitzers aber auch mit einer Hilfsdampfschiene verbunden sein, in der beispielsweise Dampf bei einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von rund 400 °C vorliegt. von dieser Hilfsdampfschiene können dann neben dem Sperrdampfsystem weitere Subsysteme, wie beispielsweise die Evakuierungsejektoren, mit Dampf versorgt werden. Eine Hilfsdampfschiene ist weiterhin von Vorteil, wenn mehrere Dampfquellen, wie zum Beispiel die Abhitzekessel mehrerer Gasturbinen oder ein zusätzlicher Hilfkessel, auf die Subsysteme der Dampfturbine aufzuschalten sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0017] Die Erfindung sei nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Zwischenentnahmestelle des Überhitzers unmittelbar mit dem Sperrdampfsystem verbunden ist. Fig. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der eine Hilfdampfschiene zwischen das Sperrdampfsystem und die Entnahmestelle geschaltet ist.

[0018] Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeichnung nur Beispiele und bevorzugte Ausführungen darstellt, die die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung erläutern, aber nicht einschränken.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0019] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung. Speisewasser wird von einer Pumpe 12 auf einen Druck gebracht und in einem Verdampfer 1 verdampft. Der Sattdampf in wird einem Überhitzer 2 auf den Frischdampfzustand überhitzt und über eine Frischdampfleitung 3, das Schnellschlussventil 44 sowie das Turbinen-Regelventil 43 der Dampfturbine 5 zugeführt und entspannt. Der entspannte Dampf wird im Kondensator 6 verflüssigt und steht wieder als Speisewasser zur Verfügung.

[0020] Der Druck im Sperrdampfsystem 9 wird im Zusammenspiel der Ventile 8 und 45 geregelt. Im normalen Betrieb der Dampfturbine 5 strömt eine Dampfmenge aus dem Hochdruckteil der Turbine 5 zur Hochdruck-Wellendichtung 55 und von dort in das Sperrdampfsystem. Diese Dampfmenge wird in einem Einspritzkühler 10 durch die Einspritzung von Wasser in den Dampf gekühlt und als Sperrdampf zur Niederdruck-Wellendichtung 56 geführt, wobei die Wassereinspritzung von der Speisewasserleitung abzweigt, und die Einspritzmenge durch ein Einspritz-Regelventil 46 eingestellt wird. Falls nicht die gesamte an der Hochdruck-Wellendichtung 55 einströmende Dampfmenge an der Niederdruck-Wellendichtung nutzbar ist, wird ein Teil des Dampfes über das Druckentlastungsventil 45 beispielsweise in den Kondensator abgeleitet.

[0021] Jedoch ist eine hinreichende Sperrdampfmenge, also ein Mindestdruck im Sperrdampfsystem 9, auch dann zu gewährleisten, wenn das Turbinen-Regelventil oder das Turbinen-Schnellschluss-Ventil geschlossen oder sehr stark angedrosselt sind, und somit der Druck am Eintritt in die Turbine 5 klein ist, so, dass von dort kein Dampf zur Hochdruck-Wellendichtung strömen kann. Derartige Betriebszustände treten insbesondere beim Anfahren und bei einer Schnellabschaltung auf. In diesem Fall öffnet das Zusatzsperrdampf-Regelventil 8 bei zu niedrigem Druck im Sperrdampfsystem 9. Über das Zusatzsperrdampf-Regelventil 8 und eine Anspeiseleitung 7 ist das Zusatzsperrdampfsystem 9 mit dem Überhitzer 2 an einer geeigneten Entnahmestelle 24 verbunden, an der überhitzter Dampf mit einer Temperatur vorliegt, die zu der Materialtemperatur kompatibel ist, die im stationären Betrieb an der Hochdruckwellendichtung vorliegt. Hier wird sich eine Anspeise-Dampftemperatur von etwa 400°C in den meisten Fällen als geeignet erweisen.

[0022] Da die Anspeiseleitung 7 nicht permanent von überhitztem Dampf durchströmt ist, ist es zweckmässig, in dieser Leitung möglicht unmittelbar stromauf des Zusatzsperrdampf-Regelventils 8 eine Entwässerung vorzusehen. Ansonsten besteht das Risiko, dass in der Anspeiseleitung 7 Dampf auskondensiert ist, und dieses Kondensat beim Öffnen des Zusatzsperrdampf-Regelventils in das Sperrdampfsystem 9 hinein mitgerissen wird. Mittels der Entwässerung 11 wird also vermieden, dass unter Umständen Kondensattröpfchen auf heisses Material im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung auftreffen und Temperatursprünge verursachen.

[0023] Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende: Die Dampfführung im Sperrdampfsystem im normalen Betrieb wurde bereits erläutert. Die Erfindung kommt nun insbesondere dann zum Tragen, wenn Zusatzsperrdampf zur Hochdruck-Wellendichtung geführt werden muss, insbesondere also, wie oben erwähnt, beim Anfahren und bei einer Turbinen-Schnellabschaltung. Nach dem Stand der Technik ist die Anspeiseleitung 7 mit der Frischdampfleitung 3 stromauf des Schnellschluss-Ventils 44 verbunden. Gerade bei einer Schnellabschaltung würde dies bedeuten, dass unmittelbar Frischdampf zur Hochdruck-Wellendichtung 55 strömt, die im Normalbetrieb mit teilentspanntem Dampf aus dem Hochdruckteil der Turbine 5 beaufschlagt wird. Hieraus folgt ein Temperaturschock für das Material der Welle und des Gehäuses im Bereich der Hochdruck-Wellendichtung 55. Um lokale Überhitzungserscheinungen des Materials zu vermeiden, kann in einem solchen Falle auch in der Sperrdampfzuleitung zur Hochdruck-Wellendichtung eine Wassereinspritzung vorhanden sein. Jedoch kann auch diese die Sperrdampftemperatur nur endlich schnell regeln, und insbesondere ist auch das Auftreffen von Wassertröpfchen auf die heissen Bauteile zu vermeiden. Ebenso wird beim Anfahren das Sperrdampfsystem mit Frischdampf angespiesen, wodurch Welle und Gehäuse an der Hochdruck-Wellendichtung 55 mit sehr grossen Temperaturdifferenzen beaufschlagt werden. In der Summe resultieren diese Vorgänge einerseits in einer potentiellen Lebendauerverkürzung, aber auch in ungünstigen Relativdehnungen, weshalb Betriebsspiele grösser als notwendig und einem hohen Wirkungsgrad zuträglich dimensioniert werden müssen.

[0024] Bei einer erfindungsgemässen Zusatzsperrdampfeinspeisung werden diese Nachteile vermieden, indem das Sperrdampfsystem 9 wie bereits erwähnt nicht mit Frischdampf, sondern mit Dampf aus einer Zwischenentnahme 24 des Überhitzers angespeist wird, dessen Temperatur niedriger als die Frischdampftemperatur ist.

[0025] In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt. Der Wasser-Dampf Kreislauf ist identisch zu dem oben beschriebenen aufgebaut. Hingegen ist bei der Anspeisung des Sperrdampfsystems eine Hilfsdampfschiene 20 zwischen die Entnahmestelle 24 des Überhitzers 2 und das Sperrdampfsystem 9 geschaltet. Bei der gezeigten Variante befindet sich ein Reduzierventil 21 in der Anspeiseleitung 71. Mit Hilfe dieses Ventils wird der Druck der Hilfsdampfschiene geregelt. Die Variante eignet sich insbesondere dann, wenn mehrere Dampfquellen auf einen oder mehrere Verbraucher aufgeschaltet werden. In diesem Beispiel sind neben dem Sperrdampfsystem 9 auch Evakuierungs-Ejektoren 22 auf die Hilfsdampfschiene aufgeschaltet. Weiterhin ist mittels einer Verbindungsleitung 23 eine weitere Dampfquelle auf die Hilfsdampfschiene aufgeschaltet. Dies könnte ein weiterer Kessel sein, oder auch ein kleiner Hilfskessel, wie er häufig in Kombi-Anlagen eingesetzt wird, um Hilfsdampf für einen beschleunigten Start der Anlage bereitzustellen. Vorteilhaft wird auch die Hilfsdampfschiene mit einer Entwässerung 11 ausgestattet.

[0026] Im dargestellten Beispiel regelt das Reduzierventil 21 den Druck des Hilfsdampfsystems. Hier wird sich häufig 20 bar, bei rund 400°C als zweckmässig erweisen. Der Druck im Hilfsdampfsystem 9 wird wie oben beschrieben durch das Zusatzsperrdampf-Regelventil 8 und das Druckentlastungsventil 45 eingestellt.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Verdampfer

2

Überhitzer

3

Frischdampfleitung

5

Turbine

6

Kondensator

7

Anspeiseleitung

8

Zusatzsperrdampf-Regelventil

9

Sperrdampfsystem

10

Wassereinspritzung

11

Entwässerung

12

Kesselspeisepumpe

20

Hilfsdampfschiene

21

Reduzierventil

22

Evakuierungs-Ejektoren

23

Verbindungsleitung

24

Entnahmestellen des Überhitzers

43

Turbinen-Regelventil

44

Turbinen-Schnellschlussventil

45

Druckentlastungsventil

46

Wassereinspritz-Regelventil

55

Hochdruck-Wellendichtung

56

Niederdruck-Wellendichtung

71

Anspeiseleitung

Ansprüche

1. Schaltung zur Einspeisung von Zusatz-Sperrdampf in das Sperrdampfsystem einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine (5) von einem Kessel über eine Frischdampfleitung (3) mit Frischdampf versorgt wird, welcher Kessel aus wenigstens einem Verdampfer (1) und einem Überhitzer (2) besteht, und wobei zumindest an einer Stelle des Überhitzers unterhalb der Frischdampftemperatur eine Entnahmestelle (24) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmestelle derart gewählt ist dass die Dampftemperatur an dieser Entnahmestelle der Materialtemperatur im Bereich einer Hochdruck-Wellendichtung (55) angepasst ist, dass eine Anspeiseleitung (7) zum Sperrdampfsystem (9) mit dieser Entnahmestelle verbunden ist, und dass die Anspeiseleitung und das Sperrdampfsystem vollkommen von der Frischdampfleitung getrennt sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampftemperatur an der Entnahmestelle zwischen 350 und 420 °C beträgt

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anspeiseleitung (7) und dem Sperrdampfsystem (9) ein Zusatzsperrdampf-Regelventil (8) eingebaut ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspeiseleitung (7) mit einer Entwässerungsvorrichtung (11) versehen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspeiseleitung (7) unmittelbar von der Entnahmestelle (24) zum Sperrdampfsystem (9) führt.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmestelle (24) mit einer Hilfsdampfschiene (20) verbunden ist, welche Hilfsdampfschiene über die Anspeiseleitung (7) mit dem Sperrdampfsystem (9) verbunden ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsdampfschiene mit Entnahmestellen mehrerer Überhitzer verbunden ist.

Zeichnung