Dampfturbinenanlage mit variabler Dampfeinspeisung

Abstract

 Eine Dampfturbinenanlage (1) weist eine Dampfturbine (12) und eine einen Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) aufweisende Zudampfsammelleitung (16) zur Versorgung eines Dampfverbrauchers auf, wobei die Zudampfsammelleitung (16) an einer Zudampfeinleitstelle (21) des Zudampfsammelleitungsabschnitts (19) in den Abdampfstrom der Dampfturbine (12) eingeleitet ist und eine Einspeisedampfvorrichtung (18) an der Dampfturbine (12) mit einer Umschaltarmatur (17) vorgesehen ist, mit der stromauf der Zudampfeinleitstelle (21) die Einspeisedampfvorrichtung (18) an den Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) angeschlossen ist und die derart angesteuert umschaltbar ist, dass, wenn der Abdampfdruck kleiner einem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) ist, der Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) mit der Einspeisedampfvorrichtung (18) dampfleitend verbunden und zwischen der Umschaltarmatur (17) und der Zudampfeinleitstelle (21) unterbrochen ist, sowie sonst die Einspeisedampfvorrichtung (18) von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) getrennt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage mit variabler Dampfeinspeisung.

[0002] Dampfturbinenanlagen werden in der Regel unter ökonomischen Gesichtspunkten dimensioniert. Insbesondere bei Dampfturbinenanlagen, die in der elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden, wird zum Erreichen höchster Wirkungsgrade mit sehr großen Leistungseinheiten gearbeitet. Der Wirkungsgrad soll zudem über einen möglichst großen Leistungsbereich konstant sein. Dazu ist es bekannt einen Zudampf, insbesondere einen Niederdruck-Zudampf, in eine Mittel- oder NiederdruckDampfturbine einzuspeisen. Wird die Dampfturbine beispielsweise im Teillastbetrieb gefahren, muss der Zudampf an der Einspeisestelle angedrosselt werden, sofern dieser bei konstantem Druck zur Verfügung steht.

[0003] In kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen wird Dampf auf mehreren Druckstufen erzeugt, beispielsweise Frischdampf, Mitteldruck-Zudampf und Niederdruck-Zudampf beim Drei-Druck-Prozess. Häufig wird dabei ein Brennstoff mit einem hohen Schwefelgehalt verwendet. Dabei kann es notwendig sein, den Druck des Niederdruck-Zudampfs zu erhöhen, um ein Auskondensieren von schwefliger Säure an den Wärmeübertragerflächen eines Dampferzeugers aufgrund des hohen Schwefelgehalts des Brennstoffs zu verhindern. Im Gegenzug muss der Niederdruck-Zudampf entsprechend an der Einspeisestelle angedrosselt werden. Nachteilig dabei ist, dass mit dem Androsseln des Zudampfs Energie vernichtet wird, also die Fähigkeit des Dampfs abnimmt im Kreisprozess Arbeit zu verrichten, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Dampfkraftprozesses sinkt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfturbinenanlage zu schaffen, bei der die oben genannten Probleme überwunden sind und insbesondere Drosselverluste weitestgehend vermieden sind. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage vorzuschlagen, bei dem insbesondere Drosselverluste weitestgehend vermieden werden.

[0005] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner ist die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0006] Bei einer Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine und einer einen Zudampfsammelleitungsabschnitt aufweisende Zudampfsammelleitung zur Versorgung eines Dampfverbrauchers ist die Zudampfsammelleitung an einer Zudampfeinleitstelle des Zudampfsammelleitungsabschnitts in den Abdampfstrom der Dampfturbine eingeleitet und eine Einspeisedampfvorrichtung ist an der Dampfturbine mit einer Umschaltarmatur vorgesehen, mit der stromauf der Zudampfeinleitstelle die Einspeisedampfvorrichtung an den Zudampfsammelleitungsabschnitt angeschlossen ist und die derart angesteuert umschaltbar ist, dass, wenn der Abdampfdruck kleiner einem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt ist, der Zudampfsammelleitungsabschnitt mit der Einspeisedampfvorrichtung dampfleitend verbunden und zwischen der Umschaltarmatur und der Zudampfeinleitstelle unterbrochen ist, sowie sonst die Einspeisedampfvorrichtung von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt getrennt ist.

[0007] Erfindungsgemäß wird die Umschaltarmatur bei einem Unterschreiten des Soll-Drucks in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt derart geschaltet, dass die Dampfturbine mit einem Einspeisedampf via die Einspeisedampfvorrichtung beaufschlagt wird. Entspricht der Abdampfdruck der Dampfturbine dem Soll-Wert, oder liegt er darüber, ist die Einspeisedampfvorrichtung von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt getrennt und die Dampfturbine erhält keinen Einspeisedampf via die Einspeisedampfvorrichtung. Wird die Dampfturbinenanlage in Teillast betrieben, wodurch der Druck im Dampfturbineninneren entsprechend abfällt, oder wird ein stark schwefelhaltiger Brennstoff beim Betrieb einer an die Dampfturbinenanlage gekoppelten Gasturbinenanlage verwendet, wobei der Niederdruckdampfdruck in der Regel erhöht wird, um ein Auskondensieren von schwefliger Säure und somit ein Korrodieren von Bauteilen des Abhitzekessels zu verhindern, kann mittels der Umschaltarmatur der Zudampf über die Einspeisedampfvorrichtung stromauf eingeleitet und in der Dampfturbine entspannt werden.

[0008] Die Einspeisedampfvorrichtung weist bevorzugt eine Mehrzahl an Dampfeinspeisestellen an unterschiedlichen Stufen der Dampfturbine auf und die Einspeisedampfvorrichtung ist derart ansteuerbar, dass die Einspeisung des Einspeisedampfes nur an derjenigen Dampfeinspeisestelle erfolgt, an der der Druck an der Einleitposition innerhalb der Dampfturbine zwar höher ist als der des Einspeisedampfs selbst, die Druckdifferenz jedoch minimal ist. Der Einspeisedampf wird folglich derart in die Dampfturbine eingespeist, dass eine gegebenenfalls erforderliche Drosselung des Einspeisedampfs entbehrlich ist, wodurch die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage frei von unnötigen Drosselverlusten ist.

[0009] Bei Lastabsenkung der Dampfturbine ist die Einspeisedampfvorrichtung bevorzugt derart angesteuert, dass ausgehend von der Dampfeinspeisestelle, die an einer abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist. Bevorzugtermaßen ist die Einspeisedampfvorrichtung bei Lastzunahme der Dampfturbine derart angesteuert, dass ausgehend von einer Dampfeinspeisestelle, die an einer stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist. Als Dampfverbraucher der Dampfturbinenanlage ist bevorzugt eine Mittel- oder Niederdruckdampfturbine vorgesehen.

[0010] Ferner sind bevorzugt die Öffnungsgradkennlinie der Umschaltarmatur für das Verbinden und Trennen der Einspeisedampfvorrichtung und/oder die Öffnungsgradkennlinie für das Verbinden und Trennen des Zudampfsammelleitungsabschnitts linear, progressiv oder degressiv.

[0011] Ein Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage weist bevorzugt die Schritte auf: Bereitstellen der Dampfturbinenanlage; Festlegen eines Soll-Drucks für die Zudampfsammelleitung; Schalten der Umschaltarmatur so, dass, wenn der Abdampfdruck kleiner dem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt ist, der Zudampfsammelleitungsabschnitt mit der Einspeisedampfvorrichtung dampfleitend verbunden und zwischen der Umschaltarmatur und der Zudampfeinleitstelle unterbrochen ist; oder Schalten der Umschaltarmatur so, dass, wenn der Abdampfdruck gleich oder größer dem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt ist, die Einspeisedampfvorrichtung von der Umschaltarmatur getrennt und an die Zudampfeinleitstelle Zudampf direkt von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt gefördert wird.

[0012] Bei dem Verfahren weist ferner bevorzugt die Einspeisedampfvorrichtung eine Mehrzahl an Dampfeinspeisestellen an unterschiedlichen Stufen der Dampfturbine auf und die Einspeisedampfvorrichtung wird derart angesteuert, dass die Einspeisung des Einspeisedampfes nur an derjenigen Dampfeinspeisestelle erfolgt, an der die Druckdifferenz zwischen der Einspeiseposition innerhalb der Dampfturbine und dem Einspeisedampf minimal ist. Dabei wird bei Lastabsenkung der Dampfturbine die Einspeisedampfvorrichtung bevorzugt derart angesteuert, dass ausgehend von der Dampfeinspeisestelle, die an einer abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist. Bei Lastzunahme der Dampfturbine wird die Einspeisedampfvorrichtung bevorzugt derart angesteuert, dass ausgehend von einer Dampfeinspeisestelle, die an einer stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine ausgebildet ist.

[0013] Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gas- und Dampfturbinenanlage anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit variabler Dampfeinspeisung.

[0014] In der Figur ist eine Dampfturbinenanlage 1 gezeigt, die via einen Abhitzekessel 2 mit einer Gasturbinenanlage 3 gekoppelt ist. Der Abhitzekessel 2 umfasst ein Hochdruckdampfsystem 4 mit einer Frischdampfsammelleitung 14, ein Mitteldruckdampfsystem 5 mit einer Mitteldruck-Zudampfsammelleitung 15, ein Niederdruckdampfsystem 6 mit einer Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 sowie mehrere Wärmeübertrager 7.

[0015] In dem Abhitzekessel 2 wird die Wärmeenergie der heißen Abgase der Gasturbinenanlage 3 mittels der Wärmeübertrager 7 an eine jeweils zugehörige Kesselanlage 8, 9 und 10 zum Erzeugen von Dampf abgegeben. Der in den Kesselanlagen 8, 9 und 10 erzeugte Dampf dient zum Betreiben einer Hochdruckdampfturbine 11, einer Mitteldruckdampfturbine 12 und einer Niederdruckdampfturbine 13.

[0016] Die Hochdruckdampfturbine 11 und die Mitteldruckdampfturbine 12 sind mittels je einer der Dampfsammelleitungen 14 und 15 mit dem jeweils entsprechenden Dampfsystem 4 bzw. 5 gekoppelt. Die Mitteldruck-Zudampfsammelleitung 15 weist ferner einen Zwischenüberhitzer 20 auf, mittels dem ein Mitteldruck-Dampf zum Erhöhen des Wirkungsgrades der Dampfturbinenanlage 1 im Abhitzekessel 2 überhitzt wird. Der Mitteldruck-Dampf setzt sich zusammen aus dem in der Kesselanlage 9 erzeugten Mitteldruck-Zudampf und dem Abdampf der Hochdruckdampfturbine 11. Von dem Zwischenüberhitzer 20 strömt der überhitzte Mitteldruck-Dampf via die Mitteldruckdampfsammelleitung 22 zur Mitteldruckdampfturbine 12.

[0017] Via eine Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 strömt der Niederdruck-Zudampf von der Kesselanlage 10 zu einer Umschaltarmatur 17. Der Druck des Zudampfs in der Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 beträgt vorliegend 4,2 bar. Im Falle einer Verwendung eines stark schwefelhaltigen Brennstoffs beim Betrieb der Gasturbinenanlage 3 wird der Druck des Niederdruck-Zudampfs derart erhöht, dass ein Auskondensieren von schwefliger Säure an den Wärmeübertragerflächen der Wärmeübertrager 7 und somit ein Korrodieren der Wärmeübertragerflächen verhindert wird. Dadurch ergibt sich in der Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 ein Druck von beispielsweise 8 bar.

[0018] Die Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 weist ferner einen Niederdruck-Zudampfsammelleitungsabschnitt 19 auf, an dem eine Zudampfeinleitstelle 21 ausgebildet ist. Via die Zudampfeinleitstelle 21 wird der Niederdruck-Zudampf über den Niederdruck-Zudampfsammelleitungsabschnitt 19 mit dem Abdampf der Mitteldruckturbine 12 eingespeist.

[0019] Der Umschaltarmatur 17 ist eine (nicht dargestellte) Steuerungseinrichtung zugeordnet, die eingerichtet ist, bei einem Unterschreiten des Abdampfdrucks der Mitteldruckdampfturbine 12 von einem vorgegebenen Soll-Wert, beispielsweise 4 bar, verursacht insbesondere durch einen Teillastbetrieb der Mitteldruckdampfturbine 12, die Umschaltarmatur 17 derart zu schalten, dass der Zudampf via die Umschaltarmatur 17 zu einer Einspeisedampfvorrichtung 18 strömt. Fällt beispielsweise der Betriebszustand der Mitteldruckdampfturbine 12 von einem Volllastbetrieb auf einen Teillastbetrieb von 60% der Volllast, fällt auch der Abdampfdruck entsprechend, d. h. der Abdampfdruck fällt auf 60% des Abdampfdrucks bei Volllast. Dadurch wird der Soll-Wert unterschritten und die Umschaltarmatur 17 wird geschaltet, wodurch der Zudampf zur Einspeisedampfvorrichtung 18 strömt, via die er als Einspeisedampf in die Mitteldruckturbine 12 strömt. Somit wird der Zudampf vom Druckniveau in der Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16 auf das Druckniveau an der Zudampfeinleitstelle 21 in der Mitteldruckturbine 12 entspannt und somit energetisch verwertet.

[0020] Die Einspeisedampfvorrichtung 18 weist eine Mehrzahl an Dampfeinspeisestellen (nicht dargestellt) auf, von denen nur maximal eine angesteuert wird. Das heißt, die Dampfzufuhr erfolgt immer nur an einer Dampfeinspeisestelle. Dabei wird diejenige Dampfeinspeisestelle angesteuert, an der der Druck des Dampfturbinenprozessdampfs in etwa gleich dem Druck des Einspeisedampfs ist. Dies ermöglicht ein nahezu ungedrosseltes Einspeisen des Einspeisedampfs, wodurch ein zusätzlicher Drosselverlust durch Androsseln vermieden ist. Aufgrund von Strömungsverlusten weist der Zudampf nach Passieren der Umschaltarmatur 17 an der Dampfeinspeisestelle einen geringfügig niedrigeren Druck auf, als in der Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16, beispielsweise 4 bar.

[0021] Ist der von der Steuerungseinrichtung gemessene Abdampfdruck über bzw. gleich dem Soll-Wert, wird die Umschaltarmatur 17 derart geschaltet, dass der Zudampfstrom via den Niederdruck-Zudampfsammelleitungsabschnitt 19 zur Niederdruckdampfturbine 13 strömt. In dem Niederdruck-Zudampfsammelleitungsabschnitt 19 strömen dann an der Zudampfeinleitstelle 21 der Abdampf der Mitteldruckturbine 12, der zuvor auf 4 bar entspannt wurde, und der Dampf der Niederdruck-Zudampfsammelleitung 16, der vorliegend ebenfalls einen Druck von 4 bar hat, zusammen und zur Niederdruckturbine 13.

Ansprüche

1. Dampfturbinenanlage (1) mit einer Dampfturbine (12) und einer einen Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) aufweisende Zudampfsammelleitung (16) zur Versorgung eines Dampfverbrauchers,
wobei die Zudampfsammelleitung (16) an einer Zudampfeinleitstelle (21) des Zudampfsammelleitungsabschnitts (19) in den Abdampfstrom der Dampfturbine (12) eingeleitet ist und eine Einspeisedampfvorrichtung (18) an der Dampfturbine (12) mit einer Umschaltarmatur (17) vorgesehen ist, mit der stromauf der Zudampfeinleitstelle (21) die Einspeisedampfvorrichtung (18) an den Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) angeschlossen ist und die derart angesteuert umschaltbar ist, dass, wenn der Abdampfdruck kleiner einem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) ist, der Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) mit der Einspeisedampfvorrichtung (18) dampfleitend verbunden und zwischen der Umschaltarmatur (17) und der Zudampfeinleitstelle (21) unterbrochen ist, sowie sonst die Einspeisedampfvorrichtung (18) von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) getrennt ist.

2. Dampfturbinenanlage (1) gemäß Anspruch 1,
wobei die Einspeisedampfvorrichtung (18) eine Mehrzahl an Dampfeinspeisestellen an unterschiedlichen Stufen der Dampfturbine (12) aufweist und die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart ansteuerbar ist, dass die Einspeisung des Einspeisedampfes nur an derjenigen Dampfeinspeisestelle erfolgt, an der die Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Einleitposition innerhalb der Dampfturbine und dem Einspeisedampf selbst minimal ist.

3. Dampfturbinenanlage (1) gemäß Anspruch 2,
wobei bei Lastabsenkung der Dampfturbine (12) die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart angesteuert ist, dass ausgehend von der Dampfeinspeisestelle, die an einer abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung (18) diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist.

4. Dampfturbinenanlage (1) gemäß Anspruch 2 oder 3,
wobei bei Lastzunahme der Dampfturbine (12) die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart angesteuert ist, dass ausgehend von einer Dampfeinspeisestelle, die an einer stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung (18) diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist.

5. Dampfturbinenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Dampfverbraucher eine Mittel- oder Niederdruckdampfturbine (13) ist.

6. Dampfturbinenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Öffnungsgradkennlinie der Umschaltarmatur (17) für das Verbinden und Trennen der Einspeisedampfvorrichtung (18) und/oder die Öffnungsgradkennlinie für das Verbinden und Trennen des Zudampfsammelleitungsabschnitts (19) linear, progressiv oder degressiv sind.

7. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den Schritten:

- Bereitstellen der Dampfturbinenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6;

- Festlegen eines Soll-Drucks für die Zudampfsammelleitung (16);

- Schalten der Umschaltarmatur (17) so, dass, wenn der Abdampfdruck kleiner dem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) ist, der Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) mit der Einspeisedampfvorrichtung (18) dampfleitend verbunden und zwischen der Umschaltarmatur (17) und der Zudampfeinleitstelle (21) unterbrochen wird; oder

- Schalten der Umschaltarmatur (17) so, dass, wenn der Abdampfdruck gleich oder größer dem Soll-Druck in dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) ist, die Einspeisedampfvorrichtung (18) von der Umschaltarmatur (17) getrennt und an die Zudampfeinleitstelle (21) Zudampf direkt von dem Zudampfsammelleitungsabschnitt (19) gefördert wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7,
wobei die Einspeisedampfvorrichtung (18) eine Mehrzahl an Dampfeinspeisestellen an unterschiedlichen Stufen der Dampfturbine (12) aufweist und die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart angesteuert wird, dass die Einspeisung des Einspeisedampfes nur an derjenigen Dampfeinspeisestelle erfolgt, an der die Druckdifferenz zwischen der Einspeiseposition innerhalb der Dampfturbine und dem Einspeisedampf minimal ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8,
wobei bei Lastabsenkung der Dampfturbine (12) die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart angesteuert wird, dass ausgehend von der Dampfeinspeisestelle, die an einer abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung (18) diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9,
wobei bei Lastzunahme der Dampfturbine (12) die Einspeisedampfvorrichtung (18) derart angesteuert wird, dass ausgehend von einer Dampfeinspeisestelle, die an einer stromauf angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist, die Einspeisedampfvorrichtung (18) diejenige Dampfeinspeisestelle ansteuert, die an einer angrenzenden, abdampfseitig angeordneten Stufe der Dampfturbine (12) ausgebildet ist.

Zeichnung