[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage und ein Verfahren zum Betreiben der
Dampfturbinenanlage.
[0002] Eine Dampfturbinenanlage findet insbesondere in einem thermischen Kraftwerk zur Erzeugung
von elektrischer Energie Anwendung. Insbesondere aus ökologischen und ökonomischen
Gesichtspunkten ist es erstrebenswert, die Dampfturbinenanlage bei einem möglichst
hohen thermischen Wirkungsgrad zu betreiben. Herkömmlich weist die Dampfturbinenanlage
eine Dampfturbine und einen Dampferzeuger auf, mit dem Speisewasser erwärmt und dadurch
Frischdampf erzeugt wird, das der Dampfturbine zum Antreiben derselben bereitgestellt
wird. Dieser Kreisprozess der Dampfturbinenanlage ist herkömmlich derart ausgelegt,
dass er bei Volllast der Dampfturbine den maximalen thermischen Wirkungsgrad hat.
Andere Betriebszustände, die unterhalb der Volllast liegen, führen zu einem entsprechend
niedrigeren thermischen Wirkungsgraden.
[0003] Jedoch ist der Teillastbetrieb der Dampfturbinenanlage, insbesondere wenn sie in
dem Kraftwerk eingesetzt ist, von hoher Relevanz, da beispielsweise bei der Dampfturbinenanlage
eine Leistungsreserve zum Bewältigen von Überlastbetriebszuständen vorzuhalten ist.
Somit ist es wünschenswert, die Dampfturbinenanlage über einen breiten Lastbereich
mit einem möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad zu betreiben.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfturbinenanlage und ein Verfahren um Betreiben
der Dampfturbinenanlage zu schaffen, wobei die Dampfturbinenanlage über einen weiten
Leistungsbereich einen hohen thermischen Wirkungsgrad hat.
[0005] Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage weist eine Dampfturbine, einen Dampferzeuger
und eine prozessdampfbetriebene Speisewasservorwärmungseinrichtung auf, wobei die
Dampfturbine eine Überlastbypassleitung aufweist, mit der beim Überlastbetrieb der
Dampfturbine Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt und der Entnahmestelle
der Speisewasservorwärmungseinrichtung einspeisbar ist, wobei die Speisewasservorwärmungseinrichtung
eine Zusatzentnahmeleitung aufweist, die an die Überlastbypassleitung so angeschlossen
ist, dass beim Teillastbetrieb der Dampfturbine von dieser Prozessdampf entnehmbar
und der Speisewasservorwärmungseinrichtung zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung
zufügbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage
weist die Schritte auf: Bestimmen des Wirkungsgradoptimums und der zugeordneten Nennleistung
der Dampfturbine; sobald die Dampfturbine oberhalb der Nennleistung betrieben wird,
Freigeben der Überlastbypassleitung und Isolieren der Zusatzentnahmeleitung, so dass
Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine und der Entnahmestelle
der Speisewasservorwärmungseinrichtung eingespeist wird; sobald die Dampfturbine unterhalb
der Nennleitung getrieben wird, Isolieren der Überlastbypassleitung und Freigeben
der Zusatzentnahmeleitung, so dass Prozessdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt
der Dampfturbine und der Entnahmestelle entnommen sowie der Speisewasservorwärmungseinrichtung
zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung zugeführt wird.
[0006] Somit ist die Überlastbypassleitung für den Betrieb der Dampfturbine bei Überlast
und die Zusatzentnahmeleitung für den Betrieb der Dampfturbine bei Teillast vorgesehen.
Im Überlastbetrieb der Dampfturbine wird ein Teilmassenstrom des Frischdampfs um einen
ersten Teil der Hochdruckbeschaufelung der Dampfturbine geführt und in die Dampfturbine
eingespeist. Dadurch ist von der Dampfturbine der Leistungsüberschuss, der oberhalb
der Nennleistung liegt, erzeugbar, ohne dass der Frischdampfdruck am Dampfturbineneintritt
verglichen mit dem Nennlastbetriebszustand anzuheben wäre.
[0007] Ferner wird durch den Betrieb der Zusatzentnahmeleitung im Teillastbetrieb der Dampfturbine
von der Dampfturbine Prozessdampf entnommen, der der Speisewasservorwärmungseinrichtung
zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung im Teillastbetrieb der Dampfturbine zugeführt
wird, wodurch die Speisewassertemperatur angehoben wird. Damit kann dem thermodynamisch
bedingten Absenken der Speisewassertemperatur bei abnehmender Dampfturbinenleistung
entgegengewirkt werden. Dadurch, dass mit der Speisewassertemperaturabsenkung eine
Absenkung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinenanlage einhergehen würde,
wird mit dem Betrieb der Zusatzentnahmeleitung im Teillastbetrieb der Dampfturbine
erreicht, dass der thermische Wirkungsgrad der Dampfturbine hoch ist. Somit ist sowohl
im Überlastbetrieb als auch im Teillastbetrieb der Dampfturbine der thermische Wirkungsgrad
hoch, so dass über einen weiten Leistungsbereich der Dampfturbine dessen thermischer
Wirkungsgrad hoch ist.
[0008] Dadurch, dass die Zusatzentnahmeleitung an die Überlastbypassleitung angeschlossen
ist, ist die Stelle der Dampfturbine, an der sowohl die Überlastbypassleitung als
auch die Zusatzentnahmeleitung in die Dampfturbine münden, dieselbe Stelle für die
Einspeisung des Frischdampfs im Überlastfall als auch für die Entnahme des Prozessdampfs
im Teillastfall vorgesehen. Somit weist die Dampfturbine lediglich eine einzige Stelle
auf, an der sowohl die Überlastbypassleitung als auch die Zusatzentnahmeleitung angebaut
sind. Im Gegensatz dazu wäre das Vorsehen von zwei oder mehreren Stellen für das Einspeisen
des Frischdampfs im Überlastfall und das Entnehmen des Prozessdampfs im Teillastfall
konstruktiv aufwändig und lediglich entsprechend kostenintensiv zu realisieren, so
dass die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage mit ihrer einzigen Anschlussstelle für
die Überlastbypassleitung und die Zusatzentnahmeleitung einfach und kostengünstig
konstruiert ist.
[0009] Mit dem Vorsehen der Überlastbypassleitung und der Zusatzentnahmeleitung ist vorteilhaft
eine Vergleichmäßigung des Wirkungsgradverlaufs in Abhängigkeit der Leistung der Dampfturbine
erzielt. Dadurch sind Laständerungen der Dampfturbinenanlage schneller bei gleichbleibendem
und hohem Niveau des thermischen Wirkungsgrads fahrbar. Ferner ist der Lastbereich
groß, in dem die Dampfturbinenanlage bei einer über die Zeit konstanten und von dem
Dampferzeuger erzeugten Frischdampftemperatur betreibbar ist. Außerdem ist vorteilhaft
erreicht, dass die Dampfturbinenanlage einen Mindestbetriebspunkt auf niedrigem Teillastniveau
hat, bei dem die Dampfturbine noch bei stabilen Verhältnissen in der Dampfturbinenanlage
(Benson-Mindestlast) betreibbar ist.
[0010] Beim Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage ist es bevorzugt, dass im Betriebszustand
der Dampfturbine unterhalb der Nennleistung die zusätzliche Speisewasservorwärmung
derart ist, dass die Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers
über die Last konstant ist. Alternativ bevorzugt ist im Betriebszustand der Dampfturbine
unterhalb der Nennleistung die zusätzliche Speisewasservorwärmung derart, dass die
Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers bei abnehmender
Leistung der Dampfturbinenanlage ansteigt. Ferner ist es bevorzugt, dass die Erhöhung
der Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers bei gleichzeitiger
Erhöhung der Speisewassermenge am Speisewassereintritt des Dampferzeugers der Mindestbetriebspunkt
der Dampfturbinenanlage hin zu tieferen Teillasten verschiebbar ist. Das Ansteigen
der Speisewassertemperatur kann vorteilhaft bis an die Grenze der thermischen und
mechanischen Belastbarkeit des Dampferzeugers ausgereizt werden. Eventuell der Dampfturbinenanlage
nachgeschaltete Rauchgasprozessschritte, wie beispielsweise eine DeNOx-Anlage, können
infolge der angehobenen Speisewassertemperatur bei einer höheren Rauchgastemperatur
betrieben werden.
[0011] Diese Speisewasservorwärmungseinrichtung weist bevorzugtermaßen einen Speisewasservorwärmer
auf, der von dem von der Entnahmestelle entnommenen Prozessdampf und von dem mit der
Zusatzentnahmeleitung entnommenen Prozessdampf betrieben ist. Dadurch wird zum Betreiben
des Speisewasservorwärmers sowohl der durch die Zusatzentnahmeleitung entnommene Prozessdampf
als auch der von der Entnahmestelle entnommene Prozessdampf zugeführt.
[0012] Alternativ weist die Speisewasservorwärmungseinrichtung einen Speisewasservorwärmer,
der von den von der Entnahmestelle entnommenen Prozessdampf betrieben ist, und einen
Zusatzvorwärmer auf, der von dem mit der Zusatzentnahmeleitung entnommenen Prozessdampf
betrieben ist. Dadurch, dass der Zusatzvorwärmer in der Dampfturbinenanlage vorgesehen
ist, kann die Einbindung des Zusatzvorwärmers in den Kreisprozess der Dampfturbinenanlage
unabhängig von der Einbindung des Speisewasservorwärmers vorgenommen sein, so dass
hinsichtlich der Optimierung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinenanlage
Freiheitsgrade vorteilhaft genutzt werden können. Hierbei ist es bevorzugt, dass der
Zusatzvorwärmer im Speisewasserstrom stromab des Speisewasservorwärmers geschaltet
ist. Somit ist der Zusatzvorwärmer vorteilhaft dem Speisewasservorwärmer nachgeschaltet.
Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Druckniveau des Prozessdampfs, mit
dem der Zusatzvorwärmer betrieben ist, höher ist, als das Druckniveau des Prozessdampfs,
mit dem der Speisewasservorwärmer betrieben ist.
[0013] Außerdem ist es bevorzugt, dass die Speisewasservorwärmungseinrichtung ein Dreiwegeventil
aufweist, mit dem der Zusatzvorwärmer in dem Speisewasserstrom zuschaltbar und von
dem Speisewasserstrom abschaltbar ist. Hierbei ist bevorzugtermaßen mit dem Dreiwegeventil
ein Teilstrom des Speisewasserstroms durch den Zusatzvorwärmer leitbar. Somit ist
vorteilhaft mit dem Dreiwegeventil der gesamte Speisewasserstrom entweder an dem Zusatzvorwärmer
vorbei, beispielsweise im Überlastbetrieb der Dampfturbine, oder teilweise oder ganz
durch den Zusatzvorwärmer leitbar, beispielsweise im Teillastbetrieb der Dampfturbine.
Somit kann hinsichtlich der Optimierung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinenanlage
in jedem Betriebszustand durch eine entsprechende Betätigung des Dreiwegeventils und
einer entsprechenden Dimensionierung des Teilstroms des Speisewasserstroms durch den
Zusatzvorwärmer optimiert werden.
[0014] In der Zusatzentnahmeleitung ist bevorzugtermaßen ein Zusatzentnahmeventil eingebaut,
mit dem der Massenstrom des Prozessdampfs in der Zusatzentnahmeleitung steuerbar ist.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die Dampfturbine eine Hochdruckdampfturbine ist.
[0015] Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage
anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur ein Wärmeschaltbild
der Ausführungsform der Dampfturbinenanlage.
[0016] Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Dampfturbinenanlage 1 einen Dampferzeuger
2 auf, der zur Erzeugung von Frischdampf in der Dampfturbinenanlage 1 vorgesehen ist.
Die Dampfturbinenanlage 1 weist ferner eine Speisewasserzuführleitung 3 auf, mit der
Speisewasser dem Dampferzeuger 2 zugeführt wird. Stromab des Dampfererzeugers 2 ist
ein Überhitzer 4 vorgesehen, durch den der Frischdampf in überkritischem Zustand bereitgestellt
ist.
[0017] Ferner weist die Dampfturbinenanlage 1 eine Dampfturbine 5 auf, die als eine Hochdruckstufe
6 ausgebildet ist und an deren Eintritt der Frischdampf via eine Frischdampfleitung
7 zum Antreiben der Dampfturbine 5 einströmbar ist. Der Massenstrom des Frischdampfs
ist mit einem in der Frischdampfleitung 7 eingebauten Frischdampfventil 8 steuerbar.
In der Dampfturbine 5 ist der Frischdampf als Prozessdampf entspannbar, wodurch die
Wellenleistung der Dampfturbine 5 gewinnbar ist.
[0018] Die Dampfturbine 5 weist einen Entnahmestutzen 9 auf, der in eine Entnahmeleitung
10 mündet, die zu einem Speisewasservorwärmer 11 führt. Durch den Entnahmestutzen
9 ist von der Dampfturbine 5 Prozessdampf abzapfbar, der via die Entnahmeleitung 10
zu dem Speisewasservorwärmer 11 geführt wird. Der Speisewasservorwärmer 11 ist als
ein Wärmetauscher ausgeführt, der in die Speisewasserzuführleitung 3 geschaltet ist,
so dass unter Kondensieren des Prozessdampfs in dem Speisewasservorwärmer 11 eine
Vorwärmung des Speisewassers bewerkstelligbar ist. Das beim Kondensieren des Prozessdampfs
anfallende Kondensat ist über eine Kondensatleitung 12 in einer Kondensatsammelleitung
13 abführbar.
[0019] Die Dampfturbine 5 weist eine Überlastbypassleitung 14 auf, die stromauf des Frischdampfventils
8 von der Frischdampfleitung 7 abzweigt und zu einem Überlastbypassstutzen 15 der
Dampfturbine 5 führt, der zwischen dem Frischdampfeintritt und dem Entnahmestutzen
9 angeordnet ist. In der Überlastbypassleitung 14 ist ein Überlastbypassventil 16
vorgesehen, mit dem sowohl der durch die Überlastbypassleitung 14 strömende Frischdampfmassenstrom
steuerbar als auch die Überlastbypassleitung 14 isolierbar ist.
[0020] Stromab des Überlastbypassventils 16 mündet die Überlastbypassleitung 14 in eine
Zusatzentnahmeleitung 17, die zu einem Zusatzvorwärmer 19 führt. In der Zusatzentnahmeleitung
17 ist ein Zusatzentnahmeventil 18 eingebaut, mit dem der durch die Zusatzentnahmeleitung
17 strömende Prozessdampf in seinem Massenstrom steuerbar ist und mit der die Zusatzentnahmeleitung
17 isolierbar ist.
[0021] Der Zusatzvorwärmer 19 ist als ein Wärmetauscher ausgebildet, der sowohl von dem
Prozessdampf aus der Zusatzentnahmeleitung 17 als auch von dem Speisewasser aus der
Speisewasserzuführleitung 3 durchströmbar ist. Der Zusatzvorwärmer 19 ist stromab
des Speisewasservorwärmers 11 angeordnet, so dass durch den Zusatzvorwärmer 19 bereits
von dem Speisewasservorwärmer 11 vorgewärmtes Speisewasser strömbar ist. Der Zusatzvorwärmer
19 ist parallel zu der Speisewasserzuführleitung 3 via eine Speisewasservorwärmleitung
21 geschaltet. An der stromauf liegenden Mündungsstelle der Speisewasservorwärmleitung
21 und der Speisewasserzuführleitung 3 ist ein Dreiwegeventil 20 eingebaut, mit dem
der Speisewasserstrom in der Speisewasserzuführleitung 3, der durch den Zusatzvorwärmer
19 strömbar ist, regelbar ist. Somit ist das Dreiwegeventil 20 entsprechend zu schalten,
wenn entweder kein Speisewasser, der gesamte Speisewasserstrom oder nur ein Teil davon
durch den Zusatzvorwärmer 19 geleitet werden soll.
[0022] Über den Leistungsbereich der Dampfturbine 5 ist ihr thermischer Wirkungsgrad entsprechend
ihrer Auslegung und Bauweise variabel. Die Dampfturbine 5 ist so ausgelegt, dass sie
bei einer vorgegebenen Nennleistung den maximalen thermischen Wirkungsgrad haben soll.
Wird die Dampfturbine oberhalb der Nennleistung betrieben, wird das Überlastbypassventil
16 geöffnet und das Zusatzentnahmeventil 18 geschlossen, wodurch die Überlastbypassleitung
14 freigegeben und die Zusatzentnahmeleitung 17 isoliert ist. Dadurch wird Frischdampf
zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine 5 und der Entnahmestelle 9 eingespeist.
Sobald die Dampfturbine 5 unterhalb der Nennleistung betrieben wird, wird das Überlastbypassventil
16 geschlossen, so dass die Überlastbypassleitung 14 isoliert ist, und das Zusatzentnahmeventil
18 geöffnet, so dass die Zusatzentnahmeleitung 17 freigegeben ist. Dadurch wird von
der Dampfturbine 5 stromauf des Entnahmestutzens 9 Prozessdampf entnommen, der dem
Zusatzvorwärmer 19 zugeführt wird. Durch eine entsprechende Stellung des Zusatzentnahmeventils
18 ist der Massenstrom des Prozessdampfs in der Zusatzentnahmeleitung 17 steuerbar.
Der Prozessdampf strömt von der Zusatzentnahmeleitung 17 in den Zusatzvorwärmer 19
und wird unter Wärmeabgabe kondensiert. Das dabei entstehende Kondensat wird mit der
Kondensatleitung 12 der Kondensatsammelleitung 13 zugeführt.
[0023] In Abhängigkeit des Druckniveaus des Prozessdampfs am Eintritt des Zusatzvorwärmers
19 und der sich daraus ergebenden Vorwärmung für das Speisewasser am Austritt des
Zusatzvorwärmers 19 in der Speisewasservorwärmungsleitung 21 bzw. die sich daraus
ergebende Vermischung des Speisewassers in dem stromab liegenden Abschnitt der Speisewasserzuführleitung
3 ist das Dreiwegeventil 20 entsprechend zu betätigen.
1. Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine (5), einem Dampferzeuger (2) und einer
prozessdampfbetriebenen Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21),
wobei die Dampfturbine (5) eine Überlastbypassleitung (14) aufweist, mit der beim
Überlastbetrieb der Dampfturbine (5) Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt
und der Entnahmestelle (9) der Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) einspeisbar
ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) eine Zusatzentnahmeleitung (17)
aufweist, die an die Überlastbypassleitung (14) so angeschlossen ist, dass beim Teillastbetrieb
der Dampfturbine (5) von dieser Prozessdampf entnehmbar und der Speisewasservorwärmungseinrichtung
(9-13, 17-21) zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung zufügbar ist.
2. Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 1,
wobei die Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) einen Speisewasservorwärmer
(11) aufweist, der von dem von der Entnahmestelle (9) entnommenen Prozessdampf und
von dem mit der Zusatzentnahmeleitung (17) entnommenen Prozessdampf betrieben ist.
3. Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 1,
wobei die Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) einen Speisewasservorwärmer
(11), der von dem von der Entnahmestelle (9) entnommenen Prozessdampf betrieben ist,
und einen Zusatzvorwärmer (19) aufweist, der von dem mit der Zusatzentnahmeleitung
(17) entnommenen Prozessdampf betrieben ist.
4. Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 3,
wobei der Zusatzvorwärmer (19) im Speisewasserstrom stromab des Speisewasservorwärmers
(11) geschaltet ist.
5. Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 3 oder 4,
wobei die Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) ein Dreiwegeventil (21)
aufweist, mit dem der Zusatzvorwärmer (19) in den Speisewasserstrom zuschaltbar und
von dem Speisewasserstrom abschaltbar ist.
6. Dampfturbinenanlage gemäß Anspruch 5,
wobei mit dem Dreiwegeventil (20) ein Teilstrom des Speisewasserstroms durch den Zusatzvorwärmer
(19) leitbar ist.
7. Dampfturbinenanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Zusatzentnahmeleitung
(17) ein Zusatzentnahmeventil (18) eingebaut ist, mit dem der Massenstrom des Prozessdampfs
in der Zusatzentnahmeleitung (17) steuerbar ist.
8. Dampfturbinenanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dampfturbine (5)
eine Hochdruckdampfturbine ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis
8, mit den Schritten:
- Bestimmen des Wirkungsgradoptimums und der zugeordneten Nennleistung der Dampfturbine
(5);
- sobald die Dampfturbine (5) oberhalb der Nennleistung betrieben wird, Freigeben
der Überlastbypassleitung (14) und Isolieren der Zusatzentnahmeleitung (17), so dass
Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine (5) und der Entnahmestelle
(9) der Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) eingepeist wird;
- sobald die Dampfturbine (5) unterhalb der Nennleistung betrieben wird, Isolieren
der Überlastbypassleitung (14) und Freigeben der Zusatzentnahmeleitung (17), so dass
Prozessdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine (5) und der Entnahmestelle
(9) entnommen sowie der Speisewasservorwärmungseinrichtung (9-13, 17-21) zur zusätzlichen
Speisewasservorwärmung zugeführt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9,
wobei im Betriebszustand der Dampfturbine (5) unterhalb der Nennleistung die zusätzliche
Speisewasservorwärmung derart ist, dass die Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt
des Dampferzeugers (2) über die Last konstant ist.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9,
wobei im Betriebszustand der Dampfturbine (5) unterhalb Nennleistung die zusätzliche
Speisewasservorwärmung derart ist, dass die Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt
des Dampferzeugers (2) bei abnehmender Leistung der Dampfturbinenanlage (1) ansteigt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
wobei die Erhöhung der Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers
(2) bei gleichzeitiger Erhöhung der Speisewassermenge am Speisewassereintritt des
Dampferzeugers (2) der Mindestbetriebspunkt der Dampfturbinenanlage (1) hin zu tieferen
Teillasten verschiebbar ist.