[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse
eines mit einem Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils, wobei das Außengehäuse
eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei Mittel an der Außenfläche zum
Beheizen des Außengehäuses angebracht werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Regelsystem
zur Regelung eines Temperaturgradienten bei einem ein Außengehäuse umfassenden allgemein
zylindrischen Bauteil, wobei an einer Außenfläche des Außengehäuses Mittel zum Beheizen
des Außengehäuses angebracht sind.
[0002] Zur Deckung von kurzzeitig auftretenden Spitzenlasten in Kraftwerken ist die kürzest
mögliche Anfahrzeit der zur Deckung der Spitzenlast bereitzuhaltenden Dampfturbine
von besonderer Bedeutung. Je kürzer die Anfahrzeit einer Dampfturbine zum Zeitpunkt
des Startbefehls bis zum Zeitpunkt des Volllastbetriebes gehalten werden kann, umso
geringer sind die während der Anfahrzeit in einem Kraftwerk entstehenden Kosten für
die Stromentnahme aus einem Verbundnetz.
[0003] Insbesondere ein Kaltstart einer Dampfturbine führt zu einer nicht unerheblichen
Anfahrzeit. Unter einem Kaltstart soll ein Vorgang verstanden werden, bei dem eine
Dampfturbine in einem abgekühlten Zustand vorliegt und diese auf eine Betriebstemperatur
erwärmt wird. Eine abgekühlte Dampfturbine liegt im Wesentlichen im thermischen Gleichgewicht
mit der Umgebung vor.
[0004] Die Anfahrzeit einer kalten Dampfturbine ist abhängig von den zulässigen Temperaturgradienten
im Gehäuse und im Läufer, die je nach Wandstärke und Material des Gehäuses bzw. Durchmesser
des Läufers unterschiedlich sind und bei zu schnellem Anfahren im Gehäuse und im Läufer
freie Verformungen, unerwünschte Wärmedehnungen und daraus resultierend Wärmespannungen
verursachen.
[0005] Des Weiteren treten beim Anfahren einer Dampfturbine durch schnelles Öffnen von Schiebern
und/oder Ventilen plötzliche Drucksteigerungen auf, die zu einer Kondensation des
Dampfes an den beaufschlagten Oberflächen von Gehäusen führen können. Eine Druckbegrenzung
während des Anfahrvorgangs zur Begrenzung des Sattdampfsprunges ist notwendig. Gemäß
dem Stand der Technik wird der maximale Druck zum Anfahren vorab definiert und mit
Hilfe von Temperaturmessstellen an der dampfbeaufschlagten Seite und in der Mitte
der Gehäusewand überwacht.
[0006] Weitere Faktoren, von der die Anfahrzeit einer kalten Dampfturbine abhängig ist,
sind maximal zulässige Temperaturgradienten in Turbinenaußengehäusen und in Ventilgehäusen.
Je größer eine Temperaturdifferenz, umso größer ist die Spannung in einem Bauteil.
Abhilfe wird hier geschaffen, indem beim Kaltstart der Dampfturbine die zeitliche
Zuführung von Dampf so geändert wird, dass ein Temperaturausgleich der Gehäusewand
erfolgen kann. Dies führt aber zu einer Verlängerung der Anfahrzeit.
[0007] Ein weiterer Faktor, der zu Verzögerungen beim Kaltstart einer Dampfturbine führt,
sind die langsamen Vorwärmungen der Dampfleitungen zwischen dem Abzweig zu einer Umleitstation
und der Dampfturbine. Die Umleitstation übernimmt den größten Anteil der anfallenden
Dampfmenge vom Dampferzeuger. In der verbleibenden Rohrleitung zur Turbine wird nur
noch ein geringer Massenstrom geführt. Der geringe Massenstrom durch eine Anwärmleitung
vor einer Dampfturbine wird durch die kalte Rohrwand so weit abgekühlt, dass der Dampf
nicht mehr vorgegebene Strömungsparameter einhält.
[0008] In der CH 429 767 werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schnellstartbereitschaftshaltung
einer Dampfturbine beschrieben. In diesem Dokument wird beschrieben, wie eine Dampfturbine
über beliebig lange Zeit auf solchen Temperaturen gehalten werden kann, dass die Turbine
wie bei einem Warmstart die Turbine zu einer bestimmten Zeit, vorzugsweise zur Deckung
plötzlich auftretender Spitzenlasten in einem Kraftwerk in kürzest möglicher Zeit
angefahren werden kann. Die in diesem_Dokument beschriebene Dampfturbine ist_demnach
in einem warmen und nicht abgekühlten Zustand.
[0009] In der EP 0 537 307 A1 ist ein System zur Warmhaltung einer Dampfturbine offenbart.
Hierbei wird über elektrische Heizmethoden ein Außengehäuse über ein Computersystem
auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Durch diese Warmhaltung ist es möglich,
bei Bedarf die Turbine in kurzer Zeit wieder mit Dampf zu beaufschlagen.
[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Regelsystem anzugeben,
mit dem es möglich ist, eine kalte Dampfturbine schnell aufzuwärmen.
[0011] Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur
Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse eines mit einem Fluid durchströmten
allgemein zylindrischen Bauteils mit einem Außengehäuse, wobei das Außengehäuse eine
Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei Mittel an der Außenfläche zum Beheizen
des Außengehäuses angebracht werden, wobei während eines Aufwärmvorgangs das Fluid
in das Bauteil geleitet und die Innenfläche dadurch erwärmt wird, wobei die Außentemperatur
der Außenfläche durch das Mittel derart eingestellt wird, dass ein vorgebbarer Temperaturgradient
zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Innentemperatur der Innenfläche
nicht überschritten wird.
[0012] Der Vorteil dieses Verfahrens liegt unter anderem darin, dass durch ein im Wesentlichen
synchrones Erwärmen der Innenfläche und der Außenfläche des Außengehäuses Spannungen
in dem Material des Außengehäuses auf etwa 25% des einseitig beströmten Außengehäuses
reduziert werden. Durch diesen synchronen Aufwärmvorgang verkürzt sich die Kaltstartzeit.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das Außengehäuse weniger schädigende
Temperaturzyklen aushalten muss. Dies wird zu einer Verlängerung der Lebensdauer führen.
[0013] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfahren derart gestaltet, dass ein
vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer
Mitteltemperatur eines mittleren Bereiches des Außengehäuses nicht überschritten wird.
Genauso vorteilhaft wird das Verfahren derart gestaltet, dass ein vorgebbarer Temperaturgradient
zwischen der Innentemperatur der Innenfläche und einer Mitteltemperatur eines mittleren
Bereichs des Außengehäuses nicht überschritten wird.
[0014] Dadurch ist es möglich, den mittleren Bereich, der zwischen der Außenfläche und der
Innenfläche des Außengehäuses liegt, zu kontrollieren. Durch die synchrone Beheizung
wird die mittlere Temperatur wesentlich "näher" an der Oberflächentemperatur gehalten
als bei einseitiger Beheizung. Der Temperaturgradient wird um einen Faktor von annähernd
vier reduziert. Das Verfahren wird derart erweitert, dass diese unerwünschten Temperaturgradienten
minimiert werden.
[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der vorgebbare Temperaturgradient derart
gewählt, dass dieser von der Innentemperatur abhängt.
[0016] Dadurch ist ein vergleichsweise einfacher Parameter gefunden, der dazu benutzt wird,
die Außentemperatur über das Mittel zu regeln.
[0017] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein Alarm ausgelöst, wenn der
Temperaturgradient den vorgebbaren Wert überschreitet.
[0018] Dadurch ist es möglich, Personalkosten einzusparen, indem auf eine unzulässige Überschreitung
des Temperaturgradienten automatisch aufmerksam gemacht wird.
[0019] Die auf das Regelsystem hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Regelsystem
zur Regelung eines Temperaturgradienten bei einem ein Außengehäuse umfassenden allgemein
zylindrischen Bauteil, wobei an einer Außenfläche des Außengehäuses Mittel zum Beheizen
des Außengehäuses angebracht sind, wobei eine Regeleinheit an dem Mittel vorgesehen
sind, die derart ausgebildet sind, dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur
der Außenfläche und einer Innentemperatur der Innenfläche unter einem vorgebbaren
Wert liegt.
[0020] Die Vorteile des Regelsystems ergeben sich hierbei entsprechend den beim Verfahren
genannten Vorteilen.
[0021] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Regeleinheit derart ausgebildet, dass
ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur der Außenfläche und einer Mitteltemperatur
im mittleren Bereich des Außengehäuses unter einem vorgebbaren Wert liegt.
[0022] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Regeleinheit derart ausgebildet,
dass ein Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur der Innenfläche und einer
Mitteltemperatur im mittleren Bereich des Außengehäuses unter einem vorgebbaren Wert
liegt.
[0023] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Mittel zum Messen der Innentemperatur
der Innenfläche und der Außentemperatur der Außenfläche vorgesehen. In einer weiteren
vorteilhaften Weiterbildung sind Mittel zum Messen der Mitteltemperatur des mittleren
Bereichs vorgesehen.
[0024] Dadurch ist es möglich, Regel- bzw. Störparameter schnell zu erfassen und diese an
das Regelsystem weiterzuführen.
[0025] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung liegt der mittlere Bereich zwischen
der Innenfläche und der Außenfläche des Außengehäuses.
[0026] Dadurch hat man einen Bereich lokalisiert, der bei einer synchronen Aufheizung der
Innenfläche als auch der Außenfläche besonders belastet wird und deswegen berücksichtigt
werden muss.
[0027] In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses
eine elektrische Heizung.
[0028] Durch diese Maßnahme ist es möglich, dass ein Mittel zum Beheizen eingesetzt wird,
das in einem Kraftwerk naturgemäß günstig und schnell mit Energie versorgt werden
kann. Des Weiteren ist diese vorteilhafte Weiterbildung wartungsarm.
[0029] In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses
ein Heizfluid in einer an der Außenfläche angebrachten Anordnung.
[0030] Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ohnehin vorhandenes Fluid in Form
von Dampf durch das Mittel strömt und dadurch eine Heizwirkung erreicht.
[0031] Es ist ein Aspekt der Erfindung, dass das Regelsystem Verwendung in einer Dampfturbine,
in einem Ventil oder in einer Rohrleitung findet.
[0032] Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert,
die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche und funktionsidentische
Bauteile werden durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet.
[0033] Dabei zeigen:
- Figur 1
- eine perspektivische Darstellung eines Regelsystems;
- Figur 2
- eine Schnittdarstellung des Mittels zum Aufwärmen;
- Figur 3a, b
- eine qualitative Darstellung der Temperaturverteilung während eines Kaltstarts gemäß
dem Stand der Technik (3a) und der Erfindung (3b);
- Figur 4a - 4d
- qualitative Darstellung der Temperaturverteilung im Außengehäuse für verschiedene
Zeitpunkte des Kaltstarts;
- Figur 5
- eine schematische Darstellung von Messstellen.
[0034] In der Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Dampfturbine 1, die mit
einer Dampfleitung 2 verbunden ist, zu sehen. Die Dampfleitung 2 ist mit einem nicht
näher dargestellten Dampferzeuger verbunden. Über die Dampfleitung 2 strömt Fluid
in die Dampfturbine 1.
[0035] Die Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 3 auf. Das Außengehäuse 3 weist eine Außenfläche
4 und eine Innenfläche 5 auf. Die Dampfturbine kann als allgemein zylindrisch ausgebildetes
Bauteil betrachtet werden. An der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 sind Mittel 6
zum Beheizen der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 angebracht. Zum Messen und Prüfen
sind Messstellen 7, 8 an der Dampfturbine 1 angebracht. Die Messstellen 7, 8 sind
zum Messen der Temperatur ausgebildet. Die gemessenen Temperaturen werden an eine
Regeleinheit 9 übertragen. Die Regeleinheit 9 ist ausgebildet zum Regeln einer Temperatur.
Über eine nicht näher dargestellte Möglichkeit sind Werte für einen Temperaturgradienten
vorgebbar.
[0036] In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Außengehäuses 3 dargestellt.
An der Außenfläche 4 des Außengehäuses 3 sind Mittel zum Beheizen des Außengehäuses
3 angebracht. Die Mittel zum Beheizen des Außengehäuses 3 können auch an ein Ventil
14 oder an ein Dampfleitungsrohr 2 angebracht werden. Um die Mittel 6 zum Beheizen
ist eine Isolierung 11 angeordnet. Als Mittel 6 zum Beheizen kann eine elektrische
Heizung, ein mit einem Heißfluid durchströmbares Rohr oder_ähnliches verwendet werden.
[0037] In der Figur 3a ist eine Temperaturverteilung in Abhängigkeit des Ortes von der Innenfläche
5 zur Außenfläche 4 dargestellt. Die Figur 3a zeigt den Temperaturverlauf gemäß dem
Stand der Technik. Die Temperatur 3b zeigt den Temperaturverlauf gemäß der vorliegenden
Erfindung. Auf der senkrechten Achse ist in beiden Figuren 3a und 3b die Temperatur
aufgetragen. Auf der waagerechten Achse ist der Ort d aufgetragen. Insbesondere ist
der Temperaturverlauf zwischen dem Ort d
A der Außenfläche und dem Ort d
I der Innenfläche dargestellt. In der Figur 3a ist zu sehen, dass die Temperatur während
eines Kaltstarts an der Außenfläche T
A kleiner ist als an der Innenfläche T
I. Dies rührt daher, dass heißer Dampf auf die Innenfläche strömt und diese dadurch
vergleichsweise schnell erwärmt. Die Erwärmung der Außenfläche 4 erfolgt nicht im
selben Maße wie an der Innenfläche 5. Es stellt sich ein unerwünscht großer Temperaturgradient
ΔT aus.
[0038] Gemäß Figur 3b wird während eines Kaltstarts durch Anbringen von den Mitteln 6 zum
Beheizen des Außengehäuses 3 Wärme eingebracht. Die eingebrachte Wärme muss derart
sein, dass die Temperatur an der Innenfläche T
I, die von Dampf beaufschlagt ist, höher ist als die Sattdampftemperatur zum erwarteten
Druck. Die Einbringung der Wärme ist dem eigentlichen Anfahrprozess vorgelagert, wodurch
eine Kondensation verhindert wird. In dem in Figur 3b dargestellten Zeitpunkt ist
die Innentemperatur T
I nahezu identisch mit der Außentemperatur T
A. Das bedeutet, dass zwischen der Innenfläche 5 und der Außenfläche 4 kein Temperaturgradient
entsteht. Allerdings entsteht in der Mitte zwischen der Außenfläche 4 und der Innenfläche
5 eine niedrigere Mittentemperatur T
M, die zu einem Gradienten zwischen dem mittleren Bereich des Außengehäuses und der
Außenfläche als auch der Innenfläche 5.
[0039] In der Figur 5 ist in schematischer Weise das Außengehäuse 3 und insgesamt drei Messstellen
x, y und z dargestellt. Die Messstelle y liegt hierbei im Wesentlichen in_der Mitte
zwischen den Messstellen x und z, die jeweils an der Außenfläche 4 und an der Innenfläche
5 angeordnet sind. An den Messstellen x, y und z wird jeweils die Temperatur gemessen.
Zwischen den Messstellen x und y und den Messstellen y und z bilden sich Temperaturunterschiede
ΔT
xy und ΔT
xz aus. Wünschenswert ist ein gleich großer Temperaturunterschied ΔT
xy zwischen x und y wie zwischen y und z. Das bedeutet, folgende Gleichung sollte im
Wesentlichen erfüllt sein: ΔT
xy = ΔT
xz.
[0040] In den Figuren 4a bis 4d ist schematisch der Temperaturverlauf während des Anfahrvorgangs
dargestellt. In der Figur 4a ist der Temperaturverlauf im Außengehäuse 3 kurz vor
dem Kaltstart dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Außentemperatur T
A und die Innentemperatur T
I im thermischen Gleichgewicht sich befinden. Zu einem späteren Zeitpunkt t = t1, nachdem
heißer Dampf die Innenfläche 5 beaufschlagt hat, steigt die Temperatur T
I an. Durch Wärmeübertragung steigt ebenfalls die mittlere Temperatur T
M an. Die Mittel zum Beheizen der Außenfläche 4 erwirken eine Erwärmung der Außenfläche
4 auf die Temperatur T
A, die, wie in der Figur 4b dargestellt, nahezu identisch ist mit der Innentemperatur
T
I.
[0041] In der Figur 4c ist ein weiterer Zeitpunkt t = t2 dargestellt. Die Innentemperatur
T
I ist um einen gewissen Betrag höher geworden. Ebenfalls ist die Außentemperatur T
A höher geworden als auch die mittlere Temperatur T
M. Die in Figur 4d dargestellte Temperaturcharakteristik soll den Temperaturverlauf
im Wesentlichen nach dem Kaltstart darstellen. Deutlich ist zu sehen, dass die Innentemperatur
T
I, die mittlere Temperatur T
M als auch die Außentemperatur T
A nahezu im thermischen Gleichgewicht sind. Mit anderen Worten, stationär stellt sich
die Temperaturverteilung wie in Figur 4d beschrieben ein, da um die Mittel 6 zur Beheizung
eine Isolierung 11 angebracht ist.
[0042] Das Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse kann für eine
Dampfturbine, für ein Ventil oder für eine Rohrleitung verwendet werden.
1. Verfahren zur Reduzierung von Spannungen in einem Außengehäuse (3) eines mit einem
Fluid durchströmten allgemein zylindrischen Bauteils (3) mit einem Außengehäuse (3),
wobei das Außengehäuse (3) eine Außenfläche (4) und eine Innenfläche (5) aufweist,
wobei Mittel an der Außenfläche (4) zum Beheizen des Außengehäuses (3) angebracht
werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
während eines Aufwärmvorgangs das Fluid in das Bauteil (3) geleitet und die Innenfläche
(5) dadurch erwärmt wird,
wobei die Außentemperatur der Außenfläche (4) durch das Mittel (6) derart eingestellt
wird , dass ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Mitteltemperatur (TM) eines mittleren Bereiches (13) des Außengehäuses (3) nicht überschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein vorgebbarer Temperaturgradient zwischen der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und einer Mitteltemperatur (TM) eines mittleren Bereiches (13) des Außengehäuses (4) nicht überschritten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der vorgebbare Temperaturgradient derart gewählt wird, dass dieser von der Innentemperatur
(TI) abhängt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Alarm ausgelöst wird, wenn der Temperaturgradient den vorgebbaren Wert überschreitet.
6. Regelsystem zur Regelung eines Temperaturverhaltens bei einem ein Außengehäuse (3)
umfassenden allgemein zylindrischen Bauteil (3),
wobei an einer Außenfläche (4) des Außengehäuses (3) Mittel (6) zum Beheizen des Außengehäuses
(3) angebracht
sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Regeleinheit (9) an dem Mittel (6) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist,
dass ein Temperaturgradient zwischen der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
7. Regelsystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinheit (9) derart ausgebildet ist, dass ein Temperaturgradient zwischen
der Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) und einer Mitteltemperatur (TM) im mittleren Bereich (13) des Außengehäuses (3) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
8. Regelsystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinheit (9) derart ausgebildet ist, dass ein Temperaturgradient zwischen
der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und einer Mitteltemperatur (TM) im mittleren Bereich (13) des Außengehäuses (3) unter einem vorgebbaren Wert liegt.
9. Regelsystem nach Anspruch 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (6) zum Messen der Innentemperatur (TI) der Innenfläche (5) und Außentemperatur (TA) der Außenfläche (4) vorgesehen sind.
10. _Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (6) zum Messen der Mitteltemperatur (TM) des mittleren Bereiches (13) vorgesehen sind.
11. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8 , 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Bereich (13) zwischen der Innenfläche (5) und der Außenfläche (4) des
Außengehäuses (3) liegt.
12. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8, 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zum Beheizen des Außengehäuses eine elektrische Heizung umfasst.
13. Regelsystem nach Anspruch 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel (6) zum Beheizen des Außengehäuses (3) ein Heizfluid in einer an der Außenfläche
(4) angebrachten Anordnung umfasst.
14. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche 6 bis 13 für eine Dampfturbine
(1).
15. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche
6 bis 13 für ein Ventil (14).
16. Verwendung eines Regelsystems nach einem der Ansprüche 6 bis 13 für eine Rohrleitung
(2).