Anfahren einer Dampfturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Methode und eine Regeleinheit (CM) zum Anfahren einer Dampfturbine (ST) auf eine Synchrondrehzahl (n_sync), welche Dampfturbine (ST) in einem Kraftwärmekopplungssystem (1) mit einem Kessel (B) und mindestens einer zwischen dem Kessel (B) und der Dampfturbine (ST) in einer Dampfleitung (FSL) angeordneten Ventil (CV) mit regelbarer Öffnungsstellung betrieben wird. Herkömmliche Anfahrprozeduren sehen vor, dass die Öffnungsstellung (X) des Ventils (CF) ausschließlich in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) der Dampfturbine (ST) geregelt wird. Dies kann zu ungewollten Schnellschlussereignissen führen. Die Erfindung schafft Abhilfe, in dem während des Anfahrens die Öffnungsstellung des Stellventils (CV) vorübergehend in Abhängigkeit von dem Frischdampfdruck (PF) geregelt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Methode zum Anfahren einer Dampfturbine auf eine Synchrondrehzahl, welche in einem Kraftwärmekopplungssystem mit einem Kessel und mindestens einer zwischen dem Kessel und der Dampfturbine in einer Dampfleitung angeordneten Ventil mit regelbarer Öffnungsstellung betrieben wird, wobei ein Frischdampfdruck stromaufwärts des Ventils gemessen wird. Daneben betrifft die Erfindung eine Regeleinheit eines Kraftwärmekopplungssystems, welches Kraftwärmekopplungssystem einen Kessel und mindestens eine bei einer Synchrondrehzahl zu betreibende Dampfturbine aufweist, wobei zwischen der Dampfturbine und dem Kessel mindestens ein in einer Dampfleitung angeordnetes Ventil mit regelbarer Öffnungsstellung vorgesehen ist, wobei ein Frischdampfdruck stromaufwärts des Ventils gemessen wird.

[0002] Ein großer Anteil der Energieerzeugung erfolgt in einem Kraftwärmekopplungssystem der vorgenannten Art mittels einer oder mehrerer Dampfturbinen. Insbesondere während nicht stationärer Betriebsphasen dieser Systeme kann sich unterschiedliches dynamisches Verhalten einzelner Komponenten, beispielsweise des Kessels und der Dampfturbine zu unerwarteten Betriebszuständen führen. Hierbei verdient die Tatsache Beachtung, dass einerseits der Kessel, in welchem die Dampferzeugung und Überhitzung erfolgt, im Wesentlichen thermischen Zeitkonstanten folgt und andererseits die Dampfturbine, in welcher der erzeugte und überhitze Dampf entspannt wird, mit ihren Drehzahlverhalten viel kürzeren Zeitkonstanten als der Kessel folgt. Aus Gründen der Netzstabilität und sonstiger Sicherheitserwägungen befindet sich regelmäßig zwischen dem Kessel und der Dampfturbine neben dem Stellventil ein so genanntes Schnellschlussventil, das bei bestimmten als Störung klassifizierten Ereignissen die Dampfzufuhr aus dem Kessel zu der Dampfturbine unterbricht. In derartigen Fällen wird der im Kessel erzeugte Dampf im Bypass zu der Dampfturbine einer Reduzierstation zugeführt, die entweder das Kreislaufmedium in die Umgebung entspannt oder nach einer Entspannung einen in den Kreislauf integrierten Kondensator einleitet.

[0003] Das unterschiedliche dynamische Verhalten von Kessel und Dampfturbine kann insbesondere bei Feststoff-befeuerten Kesseln, deren Zeitkonstante in Folge der speziellen Eigenschaften der Befeuerung besonders groß ist, zu unerwünschten Schnellschlussereignissen führen. Hierbei sind mittels organischen Materials befeuerte Kessel besonders kritisch, weil die benutzten Brennstoffe in ihrem Brennverhalten schwierig zu beeinflussen sind. Beim Anfahren derartiger Systeme ereignet sich daher häufig ein Schnellschluss, wenn sich in dem Kessel der erforderliche Frischdampfdruck aufgebaut hat und das in der Frischdampfleitung befindliche Ventil zur Dampfturbine öffnet. Herkömmliche Ventilsteuerungen regeln die Öffnungsposition des Stellventils ausschließlich in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl, die nach einer bestimmten zeitlichen Kennlinie auf eine Synchrondrehzahl angefahren wird. Dieses Anfahren führt regelmäßig zu einem Absinken des Kesseldrucks bzw. des Drucks in der Frischdampfleitung, welcher den Regler des Kessels dazu veranlasst, die Brennstoffzufuhr zu erhöhen. In Ermangelung einer aufwändigen Abstimmung der einzelnen Reglerverhalten aufeinander führt dies regelmäßig dazu, dass die Brennstoffzufuhr des Kessels zu stark erhöht wird und der Kessel einen zu hohen Frischdampfdruck erzeugt, durch welchen die Energiezufuhr zur Dampfturbine zu groß werden kann und dementsprechend zu einem Schnellschluss führt, so dass der Dampf wie zuvor beschrieben über die Reduzierstation ohne technische Arbeit zu leisten entspannt wird. Derartige Schnellschlussereignisse sind naturgemäß unerwünscht, da sie einerseits Zeit kosten und andererseits Energie vernichten.

[0004] Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, unerwünschte Schnellschlussereignisse an einem eingangs genannten Kraftwärmekopplungssystem zu verhindern.

[0005] Die gestellte Aufgabe wird durch eine Methode der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden. Daneben schlägt die Erfindung zur Lösung des Problems eine Regelungseinheit nach dem Anspruch 6 vor. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0006] Bei dem Ventil mit regelbarer Öffnungsstellung nach der Erfindung handelt es sich in der Regel um ein sogenanntes Stellventil, das auch häufig in Kombination mit einem sogenannten Schnellschlussventil eingesetzt wird. Bei der zwischen dem Kessel und der Dampfturbine verlaufenden Dampfleitung handelt es sich in der Regel um eine sogenannte Frischdampfleitung. Besonders vorteilhaft findet die Erfindung Einsatz bei einem Kessel, der mit Feststoffen befeuert wird, insbesondere mittels brennbaren organischen Materials, da derartige Systeme ein besonders unterschiedliches dynamisches Verhalten im Vergleich zu demjenigen der Dampfturbine aufweisen. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Methode bzw. Regelung jedoch für alle Kreisprozesse der eingangs genannten Art einsetzbar. Während Schnellschlussventile meist nur die ganz geöffnete oder ganz geschlossene Stellung ermöglichen und auf einen besonders schnellen Schließprozess optimiert sind, ermöglichen Stellventile eine regelmäßig stufenlose Verstellung der Öffnung zwischen 0% und 100%.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren hat den bedeutenden Vorteil, dass herkömmlich notwendige und sehr aufwändige Abstimmungsarbeiten zwischen dem Regelverhalten der Dampfturbine und demjenigen des Kessels auf ein Minimum reduziert werden oder ganz wegfallen können. Während des Anfahrvorganges der Dampfturbine übernimmt der Regler der Ventilstellung im Wesentlichen die Druckregelung des Kessels bzw. unterstützt diese, so dass ein Eintreten eines Schnellschlusskriteriums aus einem kritischen Druckverhalten des Kessels heraus höchst unwahrscheinlich wird. Während dieser Phase tritt gleichzeitig in Folge der Öffnung des Ventils bzw. Stellventils einer Erhöhung der Drehzahl der Dampfturbine ein. Kurz vor Erreichen der Synchrondrehzahl wird die Vorgabe des Sollwertes für die Öffnungsstellung des Ventils nicht mehr von dem Frischdampfdruck, sondern von der Drehzahl der Dampfturbine abhängig gemacht, wobei regelmäßig als Regelungskriterium für die Drehzahl der Sollwert der Synchrondrehzahl vorgegeben ist. Der Zeitpunkt der Umstellung der Regelung für die Öffnungsstellung des Ventils bzw. die Drehzahldifferenz zur Synchrondrehzahl kann hierbei in Abhängigkeit von den Systemgegebenheiten bestimmt werden, wobei die Differenz eher niedrig gewählt wird, wenn der Kessel sehr empfindlich auf das Öffnung des Stellventils mit Druckabfall reagiert. Vorzugsweise kommt die erfindungsgemäße Methode beim Einsatz besonders toleranter Turbosätze zur Anwendung, welche keine besonderen Drehzahltransienten insbesondere in Resonanzbereichen zum beschädigungsfreien Anfahren benötigen.

[0008] Der vorbestimmte Differenzwert zur Synchrondrehzahl, bei der die Regelung der Ventilstellung von der Abhängigkeit vom Frischdampfdruck auf Abhängigkeit von der Drehzahl umgeschaltet wird, kann zweckmäßig zwischen 1% und 10% der Synchrondrehzahl betragen, so dass bei einer Synchrondrehzahl von 3000 U/min nach dem Erreichen einer Drehzahl von ca. 2900 U/min auf eine Drehzahlregelung umgeschaltet wird.

[0009] Das Regelkriterium während der Anfahrphase, in der die Ventilstellung von dem Frischdampfdruck abhängig gesteuert wird, ist vorzugsweise ein konstanter Frischdampfdruck von beispielsweise 2,5 bar.

[0010] Im Folgenden ist die Erfindung zum besseren Verständnis ohne Einschränkungswirkung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Wasserdampf unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1

eine schematische Darstellung eines Systems mit erfindungsgemäßer Regelungseinheit bzw. geregelt mittels erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0011] Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht über ein Kraftwärmekopplungssystem 1 mit einer Regelung gemäß der Erfindung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Anfahrmethode. Das Kraftwärmekopplungssystem 1 besteht im Wesentlichen aus einem Kessel B, einer Dampfturbine ST, einem Generator G, einem Kondensator Cond und einer Speisewasserpumpe PU. In dem Kessel B wird das von der Speisewasserpumpe PU auf einen Druck von etwa 3,5 bar geförderte Wasser erhitzt, verdampft und überhitzt mittels einer Wärmezufuhr QF. Der überhitzte Frischdampf gelangt über eine Frischdampfleitung FSL passierend ein Schnellschlussventil ESV und ein Stellventil CV zur Entspannung in die Dampfturbine ST, wo unter Erzeugung technischer Arbeit der Frischdampf auf Kondensatordruck entspannt wird, welche technische Arbeit einem Generator G antreibt, der die elektrische Leistung P in ein Netz GR einspeist. Während des Normalbetriebs dreht sich der Turbosatz bestehend aus Dampfturbine ST und Generator G mit einer Synchrondrehzahl n_sync von 3000 U/min. In dem Kondensator Cond wird unter Abfuhr von Wärme QC der entspannte Dampf kondensiert. Das kondensierte Wasser wird von der Pumpe PU unter Aufnahme von technischer Arbeit WT auf den Kesseldruck von 3,5 bar gefördert.

[0012] Die Brennstoffzufuhr QF zu dem Kessel B ist mittels eines Kesselreglers PID gesteuert, der die Zufuhr des festen Brennstoffs in Abhängigkeit von dem Frischdampfdruck PF einregelt mit dem Ziel, den Frischdampfdruck auf 3,5 bar konstant zu halten. Der Frischdampfdruck PF in der Frischdampfleitung FSL wird mittels eines Drucksensors PS gemessen. Die Stellung des Stellventils CV wird mittels eines Reglers PI geregelt. Mittels eines Drehzahlsensors NS wird die Drehzahl n des Turbosatzes aus Dampfturbine ST und Generator G gemessen. Die Drehzahl n und der Frischdampfdruck PF finden Eingang in eine Regelungseinheit CM, die unter anderem die Öffnungsstellung des Stellventils CV und die Brennstoffzufuhr QF über den Regler PI bzw. PID regelt bzw. ansteuert.

[0013] In einer ersten Phase des Anfahrens des Kraftwärmekopplungssystems 1 ist das Schnellschlussventil ESV geschlossen und der Kessel B erzeugt unter Brennstoffzufuhr QF Frischdampf, der unter Passage durch ein Bypassventil VR über eine Reduzierstation direkt in den Kondensator Cond eingespeist wird. Bei Erreichen nicht näher erläuteter Kriterien, z.B. Dampfreinheit oder Stabilität über ein gewissen Zeitraum, schließt das Bypassventil VR. Das Schnellschlussventil ESV öffnet gleichzeitig mit dem Schließen des Bypassventils VR und das Stellventil CV öffnet soweit, dass etwa 50% der maximalen Öffnungsstellung des Stellventils CV erreicht sind. In diesem Schritt 2 des Anfahrverfahrens fällt der Frischdampfdruck PF leicht ab und die Drehzahl n der Dampfturbine ST steigt an. Die Regelungseinheit CM regelt über den Regler PI die Öffnungsstellung des Stellventils CV derart, dass der Frischdampfdruck weitestgehend PF auf einem konstanten Sollwert gehalten wird (PF = Const, X_valve = F(PF)). In dieser Phase regelt die Regeleinheit CM den Frischdampfdruck auf 3,5 bar mittels geeigneter Ansteuerung des Stellventils CV und die Drehzahl n der Dampfturbine ST steigt infolge an.

[0014] Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Stellventil zunächst schlicht in der ersten Öffnungsstellung von etwa 50% verbleibt ohne weitere Regelung des Frischdampfdrucks und auch nicht geführt von der Turbinendrehzahl n.

[0015] Bei Erreichung einer Grenzdrehzahl NG, die um einen bestimmten Differenzwert Δn unter der Synchrondrehzahl n_sync liegt (n_G ≥ n_sync - Δn) schaltet die Regeleinheit CM von der Frischdampfdruck PF -geführten Regelung der Öffnungsstellung des Stellventils CF auf eine Drehzahl (n-geführte Regelung (X_valve = f(n)) um. (Zeitpunkt 4 in FIg. 2). Der Generator G wird mit dem Netz GR synchronisiert und die Regeleinheit regelt in der anschließenden Phase 5 die Stellung des Stellventils CF ausschließlich in Abhängigkeit von der Drehzahl N, so dass die Synchrondrehzahl n_sync= 3000 U/min als Sollwert vorgegeben ist.

[0016] Obwohl die Erfindung hier anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels erläutert worden ist, sind für den Fachmann zahlreiche Abwandlungen denkbar, die der Erfindung ebenfalls zuzurechnen sind.

Ansprüche

1. Methode zum Anfahren einer Dampfturbine (ST) auf eine Synchrondrehzahl (n_sync), welche in einem Kraftwärmekopplungssystem (1) mit einem Kessel (B) und mindestens einer zwischen dem Kessel (B) und der Dampfturbine (ST) in einer Dampfleitung angeordneten Ventil (CV) mit regelbarer Öffnungsstellung betrieben wird, wobei ein Frischdampfdruck (PF) stromaufwärts des Ventils (CV) gemessen wird,
gekennzeichnet durch:

a) Öffnen des Ventils (CV) auf eine erste Öffnungsstellung,

b) Umschalten der Regelung der Öffnungsstellung des Ventils (CV) auf eine Abhängigkeit von der Drehzahl (N), wenn die Drehzahl (N) der Dampfturbine (ST) sich an die Synchrondrehzahl (n_sync) bis auf einen vorbestimmten ersten Differenzwert (Δn) angenähert hat,

c) Regeln der Öffnungsstellung des Ventils (CV) derart, dass die Dampfturbine (ST) mit Synchrondrehzahl (n_sync) dreht.

2. Methode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnungsstellung zwischen 25% und 75% beträgt.

3. Methode nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsstellung vor dem Umschalten der Regelung der Öffnungsstellung des Ventils (CV) auf eine Abhängigkeit von der Drehzahl (N), von der Regelung auf den konstanten Sollwert der ersten Öffnungsstellung geregelt wird.

4. Methode nach Anspruch 1,2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Öffnen des Ventils (CV) auf eine erste öffnungsstellung ein

- Regeln der Öffnungsstellung des Ventils in Abhängigkeit des Frischdampfdrucks (PF) derart, dass der Frischdampfdruck (PF) eine erste untere Schranke nicht unterschreitet, erfolgt.

5. Methode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Differenzwert (Δn) zwischen einem Prozent und zwanzig Prozent der Synchrondrehzahl (n_sync) beträgt.

6. Methode nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in vor dem zweiten Schritt (Schritt b)) ein Sollwert des Frischdampfdrucks (PF) konstant ist.

7. Methode nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
während oder nach dem Öffnen des Stellventils (CV) ein Bypassventil (VR) zur Umgehung der Dampfturbine (ST) vollständig geschlossen wird, so dass der Dampf aus dem Kessel (B) vollständig die Dampfturbine (ST) passiert.

8. Regeleinheit (CM) eines Kraftwärmekopplungssystems (1), welches Kraftwärmekopplungssystem einen Kessel und mindestens eine bei einer Synchrondrehzahl (n_sync) zu betreibende Dampfturbine (ST) aufweist, wobei zwischen der Dampfturbine (ST) und dem Kessel (B) mindestens ein in einer Dampfleitung (FSL) angeordnetes Ventil (CV) mit regelbarer Öffnungsstellung vorgesehen ist, wobei ein Frischdampfdruck (PF) stromaufwärts des Ventils (CV) gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass

a) in einem ersten Schritt des Anfahrens des Kraftwärmekopplungssystems (1) das Ventil (CV) öffnet,

b) in einem zweiten Schritt ein Umschalten der Regelung der Öffnungsstellung des Ventils (CV) auf eine Abhängigkeit von der Drehzahl (n) erfolgt, wenn die Drehzahl (n) der Dampfturbine (ST) sich an die Synchrondrehzahl (n_sync) bis auf einen vorbestimmten Differenzwert (Δn) angenähert hat und

c) in einem dritten Schritt die Öffnungsstellung des Ventils (CF) derart geregelt wird, dass die Dampfturbine (ST) mit Synchrondrehzahl (n_sync) dreht.

9. Regeleinheit (CM) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass
die erste Öffnungsstellung zwischen 25% und 75% beträgt.

10. Regeleinheit (CM) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass
nach dem ersten Schritt die Öffnungsstellung des Ventils (CV) in Abhängigkeit von dem gemessenen Frischdampfdruck (PF) derart geregelt wird, dass der Frischdampfdruck (PF) eine erste untere Schranke nicht unterschreitet.

11. Regeleinheit (CM) nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass
der erste Differenzwert (Δn) zwischen einem Prozent und zwanzig Prozent der Synchrondrehzahl (n_sync) beträgt.

12. Regeleinheit (CM) nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass
in dem ersten Schritt ein Sollwert des Frischdampfdrucks (PF) konstant ist.

13. Regeleinheit (CM) nach Anspruch 8, 9, 10, 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (CM) derart ausgebildet ist, dass
während oder nach dem Öffnen des Stellventils (CV) ein Bypassventil (VR) zur Umgehung der Dampfturbine (ST) vollständig geschlossen wird, so dass der Dampf aus dem Kessel (B) vollständig die Dampfturbine (ST) passiert.

Zeichnung