Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung einer Turbinenwelle sowie eine Dampfturbine umfassend eine Turbinenwelle und eine Vorrichtung zur Erwärmung der Turbinenwelle.
Bei Kraftwerken, die zur Stromerzeugung mit einer Dampfturbinenanlage ausgestattet sind, kann es in Abhängigkeit des aktuellen Strombedarfs erforderlich sein, eine einzelne Dampfturbine oder mehrere Dampfturbinen abzuschalten und bedarfsabhängig wieder zuzuschalten. Ein schnelles Starten der jeweiligen Dampfturbinenanlage ist hierbei von entscheidender Bedeutung. Dies gilt insbesondere für längere Stillstandzeiten, insbesondere nach einem Kaltstart und nach einem Warm-start, z.B. nach einem Wochenendstillstand. Bekannt ist es während des Startvorgangs zunächst einen Dampferzeuger hoch zu fahren bzw. zu erwärmen, um die Dampftemperatur und den Dampfdruck zu erhöhen. Sobald für den Dampf eine vorbestimmte Starttemperatur und ein vorbestimmter Startdruck sowie eine vorbestimmte Startqualität vorliegen, wird ein Anfahrverfahren zum Anfahren der Dampfturbine gestartet. Dazu werden unter anderem Frischdampfventile mehr oder weniger stark geöffnet. Dabei sind die Werte für die Starttemperatur, dem Startdruck und die Startqualität des Dampfes so gewählt, dass nach dem Anfahren der Dampfturbine ein Leerlaufbetrieb oder ein Lastbetrieb mit geringer Last für die Dampfturbine realisierbar ist.
Bis zum Start des eigentlichen Anfahrverfahrens müssen diese Parameter stabil vorliegen. Je nach Kraftwerkstyp und Kesselbauart oder Kraftwerksgröße können hierbei regelmäßig etwa 1 bis 3 Stunden vergehen. Beim Anfahren aus einem kalten Maschinenzustand werden durch die Beaufschlagung mit heißem Dampf regelmäßig hohe Materialbelastungen durch die auftretenden Wärmedehnungsspannungen erreicht.
Durch die Liberalisierung des Energiemarktes ist es derzeit üblich, Dampfturbinenanlagen über eine längere Zeitspanne außer Betrieb zu nehmen. Dazu gehören kurzfristige Stillstände oder tägliche Start- bzw. Stoppfahrweisen sowie Wochenendstillstände.
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Jedoch ist eine hohe Flexibilität gewünscht, die Kraftwerke jederzeit schnell Anfahren zu können. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Dampfturbine anzugeben, die schnell erwärmt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erwärmung einer Turbinenwelle gemäß Anspruch 1. Die auf die Dampfturbine hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Dampfturbine gemäß Anspruch 7.
Üblicherweise ist die Turbinenwelle ein großes Bauteil mit einer hohen Masse und dadurch einer vergleichsweise hohen Wärmekapazität. Dies führt dazu, dass die Turbinenwelle bei einer Energiezufuhr vergleichsweise langsam erwärmt wird. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, die Turbinenwelle dadurch schneller zu erwärmen, indem auf die Turbinenwelle warmes Wasser gespritzt wird. Durch diese Wassereinspritzung erfolgt eine schnelle Wärmeübertragung des warmen Wassers auf die Turbinenwelle. Unter dem Begriff Wasser wird hier Wasser in seinem Aggregatzustand flüssig verstanden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für eine ideale Wärmeübertragung des heißen Wassers auf die Turbinenwelle wird heißes Wasser bzw. warmes Wasser mit Temperaturen zwischen 100°C und 350°C verwendet. Das Wasser liegt bei den vorgenannten Temperaturen zwischen 100°C und 350°C gasförmig vor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Turbinenwelle vor dem Anstoßen durch die Wassereinspritzung erwärmt. Das führt dazu, dass bereits in einem sehr frühen Stadium, die Turbinenwelle in Folge der Wassereinspritzung erwärmt wird. Die Dampfturbine weist üblicher Weise sogenannte Gehäuseentwässerungen auf, die selbstverständlich geöffnet sind, während die Turbinenwelle mit Wasser bespritzt wird. Sofern der Druck in der Dampfturbine unter dem Druck des eingespritzten Wassers liegt, wird das eingespritzte Wasser verdampfen. Bei der anschließenden Kondensation des eingespritzten Wassers an den kalten Bauteilen wird dadurch die gewünschte Erwärmung erreicht. Dadurch erwärmt sich die Turbinenwelle schneller und kann früher die Betriebstemperatur erreichen, um an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen zu werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Turbinenwelle so lange mit Wasser bespritzt, bis eine maximale Anwärmdrehzahl erreicht wird. Die maximale Anwärmdrehzahl erreicht hierbei Werte zwischen 8 Hz und 25 Hz. Da über die Wassereinspritzung ein permanenter Wärmeübertrag auf die Turbinenwelle. erfolgt, ist es dadurch vorteilhaft, dass das Wasser ständig auf die Turbinenwelle gespritzt wird, bis die Turbinenwelle im Aufwärmvorgang die maximale Aizwärmdrehzahl erreicht hat. Die Anfahrzeit wird dadurch weiter verkürzt.
Das warme Wasser wird hierbei aus einer Speisepumpe entnommen, um die geforderte Dampfreinheit sicherzustellen, z. B. aus einer parallelen Dampfquelle. In einer Dampfturbinenanlage ist ein Wasserdampfkreislauf in der Regel derart vorhanden, dass Wasser aus der Speisepumpe zur Verfügung steht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden innerhalb der Dampfturbine Einspritzdüsen angeordnet, über die das warme Wasser auf die Turbinenwelle gespritzt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt:
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turbinenwelle 1, die zweiflutig ausgeführt ist. Das bedeutet, die Turbinenwelle 1 umfasst eine linke Flut 2 und eine rechte Flut 3. Die Turbinenwelle 1 rotiert um die Rotationsachse 4. Im Betrieb strömt über einen nicht näher dargestellten Einströmbereich Frischdampf in die Dampfturbine und entspannt sich entlang der linken Flut 2 und der rechten Flut 3. Des Weiteren umfasst die Turbinenwelle 1 nicht näher dargestellte Laufschaufeln. Im Betrieb kann sich die Turbinenwelle 1 auf über 300°C erwärmen. Die Temperaturen können sogar Werte bis zu 630°C erreichen. Nach einem Stillstand kann die Temperatur der Turbinenwelle 1 weniger als 100°C betragen.
Zur schnellen Erwärmung der Turbinenwelle 1 wird diese mit warmen Wasser 5 aus Einspritzdüsen 6 bespritzt. Das warme Wasser 5 kann Temperaturen zwischen 100°C und 350°C haben. Während der Aufwärmung wird hierbei das Wasser über ein Ventil 7 zur Einspritzdüse 6 geführt. Mit dem Ventil 7 kann die Menge des Wassers, die durch eine Leitung 8 zur Einspritzdüse, 6 führt, geregelt werden.
Die Turbinenwelle 1 wird hierbei vor dem Anstoßen durch die Wassereinspritzung erwärmt. Das bedeutet, dass die Turbinenwelle 1 während des Turnbetriebs, d.h. eine extern zugeführte Rotationsbewegung über einen Motor bereits mit Wasser bespritzt wird. Es ist hierbei allerdings sorgfältig darauf zu achten, dass die Menge des aus der Einspritzdüse 6 spritzenden Wassers 5 konstant über die Oberfläche der Turbinenwelle 1 verteilt wird, da sonst lokale Spannungen entstehen können. Des Weiteren wird die Turbinenwelle 1 so lange mittels der Einspritzdüsen 6 mit warmen Wasser 5 bespritzt, bis eine maximale Anwärmdrehzahl erreicht wird. Die Anwärmdrehzahl nimmt hierbei Werte zwischen 8 Hz und 25 Hz an.
Das Ventil 7 ist an eine Leitung 9 strömungstechnisch gekoppelt, wobei die Leitung 9 in nicht näher dargestellter Weise an einer Speisepumpe strömungstechnisch angekoppelt ist. Das bedeutet, dass das warme Wasser 5 aus der Speisepumpe entnommen wird. Die Wahl der Entnahme hängt von der gewünschten. Temperatur des warmen Wassers 5 ab. Es sind auch Kombinationen denkbar, wobei das warme Wasser 5 aus der Vorwärmstrecke und der Speisepumpe gemischt wird oder auch aus einer parallelen Dampfquelle, z. B. aus einem zweiten Block kommt.
Die Turbinenwelle 1 ist Teil einer nicht näher dargestellten Dampfturbine. Diese Dampfturbine umfasst ein Gehäuse, wobei innerhalb des Gehäuses die Einspritzdüsen 6 zum Einspritzen des Wassers 5 angeordnet sind. Die Lage der Einspritzdüsen 6 und die Strömungsmenge an warmen Wasser 5 sollte geeignet gewählt werden, damit der wärmeübertragungskoeffizient optimal ist. Des Weiteren weist die Dampfturbine Gehäuseentwässerungen auf, die derart ausgebildet sind, dass im Gehäuse befindliches Wasser abfließen kann. Diese Gehäuseentwässerungen sind während des Erwärmprozesses geöffnet, damit das Wasser abfließen kann.
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