|
(11) | EP 2 045 441 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
| (54) | Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang und Verfahren zum Betreiben desselben |
| (57) Ein Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang weist einen frequenzvariablen Generator,
eine Dampfturbine und einen von dem Generator und/oder der Dampfturbine antreibbaren
Turboverdichter auf, die zu einem Wellenstrang zusammengekoppelt sind, wobei der Generator
an ein elektrisches Netz zur Netzeinspeisung elektrisch koppelbar ist und die Dampfturbine
an eine Frischdampfzufuhreinrichtung zum Zuführen von Frischdampf zu der Dampfturbine
anschließbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang über eine
Variation der Netzeinspeisung und/oder über die Frischdampfzufuhr drehzahlregelbar
ist.
|
[0001] Die Erfindung betrifft einen Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang und ein Verfahren zum Betreiben des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs.
[0002] Ein Turboverdichter findet beispielsweise in einer Anlage der chemischen Industrie Anwendung. In der Anlage liegt herkömmlich ein Angebot an thermischer Energie in Form von Prozessdampf vor. Der Prozessdampf wird in einem Prozessdampfsystem bereitgestellt, von dem der Prozessdampf zum Antreiben einer Dampfturbine entnommen werden kann. Die Dampfturbine dient herkömmlich zum Antreiben des Turboverdichters.
[0003] Herkömmlich wird der Turboverdichter bei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben, die mit unterschiedlichen Drehzahlen des Turboverdichters einhergehen können. Herkömmlich beeinflusst die Drehzahl des Turboverdichters die von dem Turboverdichter aufgenommene Antriebsleistung, wobei die von dem Prozessdampfsystem bereitgestellte thermische Leistung herkömmlich größer ist als die Leistung, die für den Antrieb des Turboverdichters benötigt wird. Dieser Leistungsüberschuss nimmt mit sinkendem Leistungsverbrauch des Turboverdichters zu.
[0004] Herkömmlich wird dieser Leistungsüberschuss nicht genutzt oder in einem in der Anlage zusätzlich errichteten Dampfturbosatz bestehend aus einer Dampfturbine und einem Generator verstromt.
[0005] In Fig. 2 ist ein Dampfturbosatz aufweisend einen Generator 101 und eine Dampfturbine 102 gezeigt. Die Dampfturbine 102 treibt den Generator 101 via eine erste Kupplung 104 an. Zum Antreiben der Dampfturbine 102 wird von einer Frischdampfleitung 106 der Dampfturbine 102 Frischdampf zugeführt. Die von dem Generator 101 erzeugte elektrische Leistung wird an ein elektrisches Netz 107 abgegeben.
[0006] Ferner wird mit dem Dampf der Frischdampfleitung 106 eine weitere Dampfturbine 108 angetrieben, die ihrerseits via einer Kupplung 105 mit einem Turboverdichter 103 zu dessen Antrieb gekoppelt ist. Die Drehzahl des Turboverdichters 103 wird mittels einer Drehzahlrückkopplungseinrichtung 109 geregelt, die ein Frischdampfventil 108a steuert. Somit wird unter Vorgabe einer vorherbestimmten Drehzahl für den Turboverdichter 103 mittels der Drehzahlrückkopplungseinrichtung 109 das Frischdampfventil 108a derart angesteuert, dass die von der Frischdampfleitung 106 der Dampfturbine 108 zugeführte Dampfmenge derart eingestellt ist, dass der Turboverdichter 103 auf die vorherbestimmte Drehzahl eingeregelt wird.
[0007] Aus regelungs- und prozesstechnischen Gründen ist die Dampfturbine 108 zum Antrieb des Turboverdichters 103 überdimensioniert ausgelegt. Die Dampfturbine 108 hat bei minimalen Parametern der Frischdampfleitung 106 eine maximal erforderliche Antriebsleistung des Turboverdichters 103 bereitzustellen. Außerdem hat die Dampfturbine 108 auch bei reduzierten Frischdampfparametern das Anfahren des Turboverdichters 103 zu ermöglichen. Im Nennbetrieb wird die Dampfturbine 108 deshalb nur mit ca. 70 % des maximalen Dampfdurchsatzes beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass die Dampfturbine 108 in der überwiegenden Betriebszeit mit dem Frischdampfventil 108a gedrosselt gefahren wird. Dadurch liegt der Wirkungsgrad der Dampfturbine 108 weit unterhalb von deren Wirkungsgradmaximum.
[0008] Mittels der Dampfturbine 102 und des Generators 101 wird der überschüssige Frischdampf, der in der Frischdampfleitung 106 zur Verfügung steht, verstromt. Jedoch ist das zusätzliche Vorsehen der Dampfturbine 102 und des Generators 106 in der Anlage aufwendig und kostspielig.
[0009] In Fig. 3 ist ein herkömmlicher Strang aufweisend einen Generator 101, eine Dampfturbine 102 und einen Turboverdichter 103 gezeigt. Die Dampfturbine 102 wird mit Frischdampf aus einer Frischdampfleitung 106 gespeist und ist, mittels einer Kupplung 104 mit dem Generator 101 und mittels einer Kupplung 105 mit dem Turboverdichter 103 zum Antreiben gekoppelt.
[0010] Die in dem Generator 101 erzeugte elektrische Leistung wird an ein elektrisches Netz 107 abgegeben. Der Turboverdichter 103 wird bei konstanter Drehzahl betrieben.
[0011] Die Dampfturbine 102 wird aus den vorher genannten Gründen bei Nennlast und Teillast gedrosselt gefahren, so dass der Wirkungsgrad der Dampfturbine 102 ebenfalls unterhalb ihres Wirkungsgradoptimums liegt. Ferner besteht keine Möglichkeit den Turboverdichter 103 über die Drehzahl zu regeln, was zu einem Wirkungsgradverlust des Gesamtprozesses führt.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es einen Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, wobei der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang einen hohen Wirkungsgrad, eine gute Regelbarkeit und geringe Investitionskosten hat.
[0013] Der erfindungsgemäße Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang weist einen frequenzvariablen Generator, eine Dampfturbine und einen von dem Generator und/oder der Dampfturbine antreibbaren Turboverdichter auf, die zu einem Wellenstrang zusammengekoppelt sind, wobei der Generator an ein elektrisches Netz zur Netzeinspeisung elektrisch koppelbar ist und die Dampfturbine an eine Frischdampfzuführleitung zum Zuführen von Frischdampf zu der Dampfturbine anschließbar ist, so das der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang über eine Variation der Netzeinspeisung und/oder über die Frischdampfzufuhr drehzahlregelbar ist.
[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs weist die Schritte auf: Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs; Variieren der Netzeinspeisung des Generators und/oder variieren der Frischdampfzufuhr zu der Dampfturbine zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs.
[0015] In dem Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang ist der Turboverdichter von der Dampfturbine antreibbar, wobei die dem Strang bereitgestellte Prozessenergie vollständig umgewandelt wird. Dadurch, dass die Dampfturbine den Generator antreibt ist ein zusätzlicher Generatorantrieb nicht vorzusehen, so dass die Investitionskosten für den Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang gering sind.
[0016] Die Dampfturbine in dem Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang ist mit einem voll ausgesteuerten Dampfregelventil fahrbar. Dies führt zu einem hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine, so dass die Ausbeute der Prozessenergie hoch ist.
[0017] Ferner ist es ermöglicht; dass die Leistung des Turboverdichters in dem Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang durch die variable Drehzahl regelbar ist, wodurch die Leistungsregelung des Turboverdichters effektiv ist.
[0018] Beim Anfahren des Turboverdichters kann der Generator als ein Motor betrieben werden, wodurch beim Anfahren des Turboverdichters durch den Generator eine zusätzliche Antriebsleistung bereitgestellt ist. Dadurch braucht die Dampfturbine nicht derart ausgelegt zu sein, dass das Anfahren des Turboverdichters bei eventuell vorliegenden niedrigen Dampfparametern bei hohem Leistungsbedarf des Turboverdichters bewerkstelligbar ist. Somit ist die Dampfturbine kostengünstig ausführbar, wodurch die Investitionskosten für die Dampfturbine gering sind. Außerdem ist die Dampfturbine im Normalbetrieb nicht oder nur gering gedrosselt fahrbar, wodurch der Wirkungsgrad der Dampfturbine hoch ist.
[0019] Bevorzugt weist die Dampfturbine ein Frischdampfventil zum Zuführen des Frischdampfs von der Frischdampfzufuhreinrichtung zu der Dampfturbine auf, wobei mit dem Frischdampfventil die Frischdampfzufuhr regelbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang mittels des Frischdampfventil drehzahlregelbar ist.
[0020] Dadurch ist es ermöglicht, dass die Energiezufuhr zu der Dampfturbine mit dem Frischdampfventil regelbar ist, das dafür eine entsprechende Ventilstellung hat. Dadurch ist die Leistungsabgabe der Dampfturbine und somit die Drehzahl der Dampfturbine einfach regelbar.
[0021] Ferner ist es bevorzugt, dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang einen Frequenzumrichter aufweist, mit dem der Generator an das elektrische Netz zur Netzeinspeisung elektrisch koppelbar ist und die Leistung des Generators regelbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang mittels des Frequenzumrichters drehzahlregelbar ist.
[0022] Mittels des Frequenzumrichters ist die Leistungsabgabe des Generators bei der Netzeinspeisung variabel, so dass der Leistungsbedarf des Generators an den Leistungsbedarf des Turboverdichters anpassbar ist. Dadurch ist die Antriebsleistung der Dampfturbine vorgebbar und somit an das Leistungsangebot der Frischdampfzufuhreinrichtung anpassbar. Dadurch kann das vollständige Dampfangebot der Frischdampfzufuhreinrichtung in der Dampfturbine entspannt werden, wobei der Turboverdichter bei einem gewünschten Betriebszustand betreibbar ist.
[0023] Bevorzugt ist es, dass der Generator sowohl im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb betreibbar ist.
[0024] Wird der Generator im Antriebsmotorbetrieb betrieben, so ist von dem Generator eine zusätzliche Antriebsleistung bereitgestellt. Diese zusätzliche Antriebsleistung kann beispielsweise beim Anfahren des Turboverdichters erforderlich sein, wenn beispielsweise das Dampfangebot der Frischdampfzufuhreinrichtung zu gering zum Anfahren des Turboverdichters ist. Dadurch ist es ermöglicht, den Turboverdichter dennoch anzufahren, obwohl die Antriebsleistung der Dampfturbine alleine nicht ausreichen würde. Beim Antriebsmotorbetrieb bezieht der Generator Leistung aus dem Netz.
[0026] Bei dem Verfahren zum Betreiben des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs sind ferner die Schritte bevorzugt: Bereitstellen der Dampfturbine mit dem Frischdampfventil; Variieren der Stellung des Frischdampfventils zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs; Beim Normalbetrieb: Betreiben der Dampfturbine mit voll ausgesteuertem Frischdampfventil.
[0027] Dadurch wird im Normalbetrieb die Dampfturbine bei Nennlast und nicht bei Teillast betrieben, so dass der Wirkungsgrad der Dampfturbine hoch ist.
[0028] Ferner sind bei dem Verfahren zum Betreiben des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs die Schritte bevorzugt: Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs mit dem Frequenzumrichter; Variieren der Leistung des Generators mit dem Frequenzumrichter zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs.
[0029] Außerdem sind bei dem Verfahren zum Betreiben des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs die Schritte bevorzugt: Bereitstellen des Generators als im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb betreibbar; Beim Anfahrbetrieb: Betreiben des Generators im Antriebsmotorbetrieb.
[0030] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs gezeigt. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs,
- Fig. 2
- einen Dampfturbine-Turboverdichter-Strang und einen Dampfturbine-Generator-Strang gemäß dem Stand der Technik und
- Fig. 3
- einen Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang gemäß dem Stand der Technik.
[0031] Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist ein Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang 1 einen Generator 2, eine Dampfturbine 3 und einen Turboverdichter 4 auf, die einen Wellenstrang 5 bilden. Die Dampfturbine 3 ist zum Antreiben des Generators 2 mit diesem Mittels einer ersten Kupplung 5a gekuppelt und zum Antreiben des Turboverdichters 4 mittels einer zweiten Kupplung 5b gekuppelt. Die Dampfturbine 3 wird mit Dampf von einer Frischdampfzufuhreinrichtung 7 betrieben, wobei die Dampfströmung zu der Dampfturbine 3 von einem Frischdampfventil 8 regelbar ist. Das Frischdampfventil 8 ist mittels einer Drehzahlrückkopplungseinrichtung 10 mit der Drehzahl des Wellenstrangs 5 gekoppelt. Mittels der Drehzahlrückkopplungseinrichtung 10 ist das Frischdampfventil 8 derart ansteuerbar, dass der Wellenstrang 5 drehzahlgeregelt ist.
[0032] Der Generator 2 ist via einen Frequenzumrichter 9 mit einem elektrischen Netz 6 zur Netzeinspeisung gekoppelt. Der Frequenzumrichter 9 ist mittels einer Drehzahlrückkopplungseinrichtung 11 mit der Drehzahl des Wellenstrangs 5 gekoppelt.
[0033] Die Dampfturbine 3 ist mittels des Frischdampfventils 8 und der Drehzahlrückkopplungseinrichtung 10 zum drehzahlgeregelten Antrieb des Turboverdichters 4 eingerichtet. Ferner ist die Dampfturbine 3 zum Antrieb des Generators 2 auf einem Wellenstrang 5 kombiniert. Der Generator 2 und der Frequenzumrichter 9 können, falls die Randbedingungen bein Anfahren des Turboverdichters 4 eine zusätzliche Hilfsenergie erfordern, auch motorisch betrieben werden. Die Dampfturbine 3 wird im Normalbetrieb mit dem voll ausgesteuerten Frischdampfventil 8 gefahren, so dass die Dampfturbine im Nennbetrieb bei hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
[0034] Die im Nennbetrieb der Dampfturbine 3 vorhandene Überschussleistung wird im Generator 2 zur Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt.
[0035] Mit Hilfe des Frequenzumrichters 9 wird durch den Generator 2 Drehstrom mit der jeweiligen Netzfrequenz des Netzes 6 erzeugt, der in das Netz 6 eingespeist werden kann. Im Bedarfsfall kann der Generator 3 im Motorbetrieb eine zusätzliche mechanische Leistung zum Anfahren des Turboverdichters 4 bereitstellen. Die Drehzahlregelung des Wellenstrangs 5 erfolgt entweder über die Anpassung der Netzeinspeiseleistung oder bei konstanter Leistung des Generators 2 über das Frischdampfventil 8 der Dampfturbine 2. Die Leistungsregelung des Generators 2 erfolgt im Frequenzumrichter 9.
1. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) mit einem frequenzvariablen Generator
(2), einer Dampfturbine (3) und einem von dem Generator (2) und/oder der Dampfturbine
(3) antreibbaren Turboverdichter (4), die zu einem Wellenstrang (5) zusammengekoppelt
sind, wobei der Generator (2) an ein elektrisches Netz (6) zur Netzeinspeisung elektrisch
koppelbar ist und die Dampfturbine (3) an eine Frischdampfzufuhreinrichtung (7) zum
Zuführen von Frischdampf zu der Dampfturbine (3) anschließbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang
(1) über eine Variation der Netzeinspeisung und/oder über die Frischdampfzufuhr drehzahlregelbar
ist.
2. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Dampfturbine
(3) ein Frischdampfventil (8) zum Zuführen des Frischdampfs von der Frischdampfzufuhreinrichtung
(7) zu der Dampfturbine (3) aufweist, wobei mit dem Frischdampfventil (8) die Frischdampfzufuhr
regelbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) mittels
des Frischdampfventils (8) drehzahlregelbar ist.
3. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der
Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) einen Frequenzumrichter (9) aufweist,
mit dem der Generator (2) an das elektrische Netz (6) zur Netzeinspeisung elektrisch
koppelbar ist und die Leistung des Generators (2) regelbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang
(1) mittels des Frequenzumrichters (9) drehzahlregelbar ist.
4. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei der Generator (2) sowohl im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb
betreibbar ist.
5. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei der Generator (2) ein hochdrehender Generator ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1) gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1);
- Variieren der Netzeinspeisung des Gerators (2) und/oder Variieren der Frischdampfzufuhr zu der Dampfturbine (3) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, mit den Schritten:
- Bereitstellen der Dampfturbine (3) mit dem Frischdampfventil (8);
- Variieren der Stellung des Frischdampfventils (8) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1);
- Beim Normalbetrieb: Betrieben der Dampfturbine (3) mit voll ausgesteuertem Frischdampfventil (8).
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, mit den Schritten:
- Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1) mit dem Frequenzumrichter (9);
- Variieren der Leistung des Generators (2) mit dem Frequenzumrichter (9) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1).
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, mit den Schritten:
- Bereitstellen des Generators (2) als im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb betreibbar;
- Beim Anfahrbetrieb: Betreiben des Generators (2) im Antriebsmotorbetrieb.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.
1. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) mit einem frequenzvariablen Generator
(2), einer Dampfturbine (3) und einem von dem Generator (2) und der Dampfturbine (3)
antreibbaren Turboverdichter (4), die zu einem Wellenstrang (5) zusammengekoppelt
sind, wobei der Generator (2) an ein elektrisches Netz (6) zur Netzeinspeisung elektrisch
koppelbar ist und die Dampfturbine (3) an eine Frischdampfzufuhreinrichtung (7) zum
Zuführen von Frischdampf zu der Dampfturbine (3) anschließbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang
(1) über eine Variation der Netzeinspeisung und über die Frischdampfzufuhr drehzahlregelbar
ist, wobei der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) einen Frequenzumrichter
(9) aufweist, mit dem der Generator (2) an das elektrische Netz (6) zur Netzeinspeisung
elektrisch koppelbar ist und die Leistung des Generators (2) regelbar ist, so dass
der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) mittels des Frequenzumrichters
(9) drehzahlregelbar ist.
2. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Dampfturbine
(3) ein Frischdampfventil (8) zum Zuführen des Frischdampfs von der Frischdampfzufuhreinrichtung
(7) zu der Dampfturbine (3) aufweist, wobei mit dem Frischdampfventil (8) die Frischdampfzufuhr
regelbar ist, so dass der Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) mittels
des Frischdampfventils (8) drehzahlregelbar ist.
3. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei
der Generator (2) sowohl im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb betreibbar
ist.
4. Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strang (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei der Generator (2) ein hochdrehender Generator ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1)
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend die Schritte:
- Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1);
- Variieren der Netzeinspeisung des Gerators (2) und Variieren der Frischdampfzufuhr zu der Dampfturbine (3) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1)
- Bereitstellen des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1) mit dem Frequenzumrichter (9);
- Variieren der Leistung des Generators (2) mit dem Frequenzumrichter (9) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, mit den Schritten:
- Bereitstellen der Dampfturbine (3) mit dem Frischdampfventil (8);
- Variieren der Stellung des Frischdampfventils (8) zum Drehzahlregeln des Generator-Dampfturbine-Turboverdichter-Strangs (1) ;
- Beim Normalbetrieb: Betrieben der Dampfturbine (3) mit voll ausgesteuertem Frischdampfventil (8).
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, mit den Schritten:
- Bereitstellen des Generators (2) als im Generatorbetrieb als auch im Antriebsmotorbetrieb betreibbar;
- Beim Anfahrbetrieb: Betreiben des Generators (2) im Antriebsmotorbetrieb.