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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinenkomponenten und insbesondere
Verfahren und Vorrichtungen, die eine Kühlung von Dampfturbinenkomponenten
ermöglichen.
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Wenigstens
einige bekannte Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke enthalten eine Dampfturbine,
die mit einer Gasturbine über
eine einzelne Welle gekoppelt ist. Derartige Kraftwerke können als
Kraftwerke mit einer Einzelwellen-Kombizyklus-Konfiguration bezeichnet
werden. Während
wenigstens einiger Betriebszustände
eines derartigen Kraftwerks kann die Gasturbine eine Last tragen, während die
Dampfturbine keine Last trägt.
Da jedoch die Gasturbine und die Dampfturbine während derartiger Betriebszustände mit
derselben gemeinsamen Welle gekoppelt sind, muss die Dampfturbine bei
Höchstdrehzahl
arbeiten, ohne eine Last zu tragen. Wenn sich die Dampfturbine in
einem lastlosen Betrieb bei Höchstdrehzahl
befindet, können
wenigstens einige Dampfturbinenkomponenten aufgrund des Ventilationsverlustes
in der Dampfturbine eine Temperatursteigerung erfahren.
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Um
zu helfen, einen Verschleiß an
Komponenten zu vermeiden, wird die Dampfturbine in wenigstens einigen
bekannten Einzelwellen-Kombizyklus-Kraftwerken von der Gasturbine
entkoppelt, wenn die Gasturbine eine Last trägt, während die Dampfturbine keine
Last trägt.
Die Dampfturbine arbeitet an sich nicht unter Leerlaufbedingungen
mit Höchstdrehzahl,
während
die Gasturbine eine Last trägt.
Jedoch muss die Dampfturbine mit der Gasturbine wieder gekoppelt
werden, bevor die Dampfturbine eine Last aufnehmen kann. Wie bekannt
ist, kann eine Synchronisierung des Dampfturbinenbetriebs mit dem
Gasturbinenbetrieb während
des Wiederkoppelns eine schwierige und zeitaufwendige Aufgabe darstellen.
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Andere
bekannte Einzelwellen-Kombikraftwerke erlauben der Dampfturbine,
in dem Leerlaufbetrieb mit Höchstdrehzahl
zu arbeiten, während
die Gasturbine eine Last trägt.
Derartige Kraftwerke setzen ein Kühlfluid, beispielsweise Luft
oder Dampf, ein, um eine Kühlung
der Dampfturbine zu ermöglichen.
Bevor jedoch Dampf in eine Dampfturbine eingeleitet werden kann,
muss der Dampf im Wesentlichen frei von Wassertröpfchen sein, weil derartige Tröpfchen in
dieser einen Schaden herbeiführen
können.
Um zu ermöglichen,
ein Einbringen von Wassertröpfchen
in die Dampfturbine zu verhindern, leiten wenigstens einige bekannte
Kombikraftwerke den Dampf zu einem mit einem Hilfskessel integralen Überhitzer,
der den Dampf überhitzt,
bevor der Dampf zu der Dampfturbine geleitet wird. Jedoch sind derartige Überhitzer
im Allgemeinen physisch groß und
können
kostspielig bei der Beschaffung und/oder im Betrieb sein, weil derartige Überhitzer
im Allgemeinen eine beträchtliche
Energiezufuhr erfordern um sicherzustellen, dass das gesamte Wasser in
dem Dampf im Wesentlichen verdampft.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt ist ein Verfahren zur Kühlung
einer Dampfturbinenkomponente geschaffen. Das Verfahren enthält ein Leiten
von gesättigtem Dampf
bei einem ersten Druck zu einer Drucksteuerungsvorrichtung, ein Überhitzen
des Dampfes durch Verringerung des Drucks des gesättigten
Dampfes von dem ersten Druck zu einem zweiten Druck unter Verwendung
der Drucksteuerungsvorrichtung und ein Leiten des überhitzten
Dampfes zu ei ner Dampfturbinenkomponente, um eine Kühlung der
Komponente zu ermöglichen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Kühlsystem
zur Verwendung mit einer Dampfturbine geschaffen. Das Kühlsystem
enthält
eine Sattdampfquelle und eine Drucksteuerungsvorrichtung, die in Strömungsverbindung
mit der Sattdampfquelle gekoppelt ist. Die Drucksteuerungsvorrichtung
ermöglicht
eine Reduktion des Drucks des gesättigten Dampfes, um überhitzten
Dampf zu erzeugen. Die Drucksteuerungsvorrichtung ist dazu eingerichtet,
in Strömungsverbindung
mit der Dampfturbine gekoppelt zu sein, um dieser überhitzten
Dampf zuzuführen.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt ist ein Gas-und-Dampf-Kombisystem geschaffen. Das Kombisystem
enthält
eine Gasturbine, eine Dampfturbine, die mit der Gasturbine über eine
Rotorwelle gekoppelt ist, und ein Dampfturbinenkühlsystem, das in Strömungsverbindung
mit der Dampfturbine gekoppelt ist. Das Kühlsystem enthält eine
Sattdampfquelle und eine Drucksteuerungsvorrichtung, die in Strömungsverbindung
mit der Sattdampfquelle gekoppelt ist. Die Drucksteuerungsvorrichtung
ist dazu eingerichtet, gesättigten
Dampf zu überhitzen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Kombikraftwerks.
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2 zeigt
eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Dampfturbinensystems,
das in Zusammenhang mit dem in 1 veranschaulichten Kraftwerk
eingesetzt werden kann.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung eines beispielhaften Enthalpie-Entropie-Diagramms,
das verwendet werden kann, wenn das in 2 veranschaulichte
System eingesetzt wird.
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4 zeigt
eine grafische Darstellung unter Veranschaulichung einer beispielhaften
Beziehung zwischen dem Dampfturbinengegendruck, dem Kühlmassendurchsatz
und der Enthalpie, wobei die grafische Darstellung im Zusammenhang
mit dem in 2 veranschaulichten System verwendet
werden kann.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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1 zeigt
eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks 10. 2 zeigt
eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Dampfturbinensystems 200,
das gemeinsam mit dem Kraftwerk 10 eingesetzt werden kann. 3 zeigt
eine grafische Darstellung eines Enthalpie-Entropie-Diagramms 300 (das
hier auch als „Mollier-Diagramm" bezeichnet wird)
das verwendet werden kann, wenn das Dampfturbinensystem 200 eingesetzt
wird. 4 zeigt eine grafische Darstellung 400,
die eine beispielhafte Beziehung zwischen dem Dampfturbinengegendruck 402,
dem Kühldurchfluss 404 und
der Enthalpie 406 veranschaulicht und die gemeinsam mit
dem Dampfturbinensystem 200 verwendet werden kann.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
enthält
das Kraftwerk 10 eine Gasturbinenanordnung 100,
ein Dampfturbinensystem 200, einen Abhitzedampferzeuger
(AHDE) 12 und einen Generator 14. Außerdem enthält das Dampfturbinensystem 200 in der
beispielhaften Ausführungsform
eine Dampfturbinenanordnung 202 und ein Dampfturbinenkühlsystem 204,
wie sie nachstehend in größeren Einzelheiten
beschrieben sind. Das Kraftwerk 10 kann beliebige sonstige
Komponenten enthalten, die dem Kraftwerk 10 ermöglichen,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren. In der beispielhaften
Ausführungsform
sind die Gasturbinenanordnung 100 und die Dampfturbinenanordnung 202 über eine
gemeinsame Rotorwelle 16 miteinander gekoppelt, die den Generator 14 antreibt.
Insbesondere enthält
die Rotorwelle 16 eine erste Kupplung 18 zwischen
der Gasturbinenanordnung 100 und der Dampfturbinenanordnung 202,
so dass die Dampfturbinenanordnung 202 von der Gasturbinenanordnung 100 wahlweise
entkoppelt werden kann.
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Die
Gasturbinenanordnung 100 enthält einen Verdichter 102,
eine Brennkammer 104 und eine Gasturbine 106.
Der Verdichter 102 und die Gasturbine 106 sind
jeweils mit der Rotorwelle 16 gekoppelt, um gemeinsam mit
dieser gedreht zu werden. Der Verdichter 102 enthält einen
Lufteinlass 108 zur Einspeisung von Luft in den Verdichter 102.
Der Verdichter 102 ist in Strömungsverbindung mit der Brennkammer 104 angeschlossen,
um dieser verdichtete Luft 110 zuzuführen. Die Brennkammer 104 enthält einen
Brennstoffeinlass 112 zur Einspritzung von Brennstoff 114 in
die Brennkammer 104, damit dieser darin verbrannt wird.
Die Brennkammer 104 ist in Strömungsverbindung mit der Gasturbine 106 angeschlossen,
um Abgase 116 zu dieser leiten zu können. Die Gasturbine 106 ist
in Strömungsverbindung mit
dem AHDE 12 gekoppelt, so dass Abgase 116 aus
der Gasturbine 106 Wasser 20 in dem AHDE 12 erhitzen,
um Dampf 22 zu erzeugen. Der AHDE 12 kann ein
Abhitzedampferzeuger einer beliebigen Bauart sein, die der Anlage 10 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren.
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Die
Dampfturbinenanordnung 202 enthält einen Hochdruckabschnitt 206,
einen Zwischendruckabschnitt 208 (der hier auch als ein
Nacherwärmungs-
bzw. Nachverbrennungsabschnitt bezeichnet wird), einen Niederdruckabschnitt 210 und
einen Kondensator 212. In der beispielhaften Ausführungsform
ist die Dampfturbinenanordnung 202 eine Gegendruckdampfturbine,
die mit einem Gegendruck PB von beispielsweise
etwa 4 HgA arbeitet. Jeder Abschnitt 206, 208 und 210 enthält mehrere
Laufschaufeln 214, die mit der Rotorwelle 16 verbunden
sind. Insbesondere sind die Schaufeln 214 in Reihen 216 angeordnet,
die sich in Umfangsrichtung rings um die Welle 16 erstrecken.
Der Hochdruck-, der Zwischendruck- und der Niederdruckabschnitt 206, 208 bzw. 210 sind
in Reihe zueinander mit der Rotorwelle 16 gekoppelt, wie
dies in größeren Einzelheiten
nachstehend beschrieben ist. In der beispielhaften Ausführungsform
sind die Turbinenabschnitte 206, 208 und 210 mit
der Welle 16 derart gekoppelt, dass der Hochdruckabschnitt 206 in
der Nähe
der Gasturbinenanordnung 100 positioniert ist, während der
Niederdruckabschnitt 210 in der Nähe des Generators 14 positioniert
ist. Außerdem
ist in der beispielhaften Ausführungsform
der Hochdruckabschnitt 206 an einer zweiten Kupplung 218 mit
dem Zwischen- und dem Niederdruckabschnitt 210 und 208 gekoppelt.
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Darüber hinaus
enthält
die Dampfturbinenanordnung Lager 220, 222 und 224,
die jeweils mit der Rotorwelle 16 zwischen dem Niederdruckabschnitt 210 und
dem Generator 14, zwischen dem Zwischen- und dem Hochdruckabschnitt 208, 206 sowie
zwischen dem Hochdruckabschnitt 206 und der ersten Kupplung 18 gekoppelt
sind. Ein erstes Gehäuse 226 isoliert
den Nieder- bzw.
den Zwischendruckabschnitt 210 bzw. 208 im Wesentlichen
von der Umgebung 24, während
ein zweites Gehäuse 228 die
zweite Kupplung 218 und das Lager 222 von der
Umgebung 24 im Wesentlichen isoliert, ein drittes Gehäuse 230 den
Hochdruckabschnitt 206 gegenüber der Umgebung 24 im
Wesentlichen isoliert und ein viertes Gehäuse 232 das Lager 224 und
die erste Kupplung 18 von der Umgebung 24 im Wesentlichen
isoliert. In der beispielhaften Ausführungsform ist durch die Gehäuseelemente 226, 228, 230 und 232 ein
Gasströmungsweg 234 innerhalb
der Dampfturbinenanordnung 202 definiert.
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Der
Hochdruckabschnitt 206 enthält in der beispielhaften Ausführungsform
ein Paar Dampfeinlässe 236 zur
Entgegennahme von Dampf 22 von dem AHDE 12. Alternativ
kann die Dampfturbinenanordnung 202 Dampf 22 von
anderen Quellen als dem AHDE 12 und/oder anders als durch
ein Paar Hochdruckabschnittseinlässe 236 empfangen.
Insbesondere empfängt
der Hochdruckabschnitt 206 in der beispielhaften Ausführungsform
Dampf 22 von dem AHDE 12 über ein erstes Ventil 238,
das beispielsweise ein Absperr- und Steuerventil ist. Der Hochdruckabschnitt 206 ent hält einen
Auslass 240 der innerhalb des dritten Gehäuses 230 festgelegt
ist. Der Auslass 240 ist eingerichtet, um Dampf 22 aus
dem Abschnitt 206 ausströmen zu lassen. Zwischen dem Hochdruckabschnitt 206 und
einem Paar zweiter Ventile 244, die beispielsweise sog.
Interzept- oder Abfangventile sind, ist ein Überhitzer 242 angeschlossen.
Jedes Ventil 244 ist mit einem Einlass 246 des
Zwischendruckabschnitts 208 verbunden. Ein Auslass 248 des
Zwischendruckabschnitts 208 befindet sich neben einer vertikalen
Verbindung 250, die zwischen dem Zwischen- und dem Niederdruckabschnitt 208 und 210 definiert
ist. Ein Einlass 252 des Niederdruckabschnitts 210 befindet
sich neben der Verbindung 250, während ein Auslass 254 des
Niederdruckabschnitts 210 in Strömungsverbindung mit dem Kondensator 212 angeschlossen
ist. Insbesondere ist in der beispielhaften Ausführungsform der Niederdruckabschnitt 210 mit
dem Kondensator 212 derart in Strömungsverbindung gekoppelt,
dass Kondensationsdampf 26 aus dem Niederdruckabschnitt 210 in
den Kondensator 212 abgegeben werden kann.
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Außerdem enthält die Dampfturbinenanordnung 202 in
der beispielhaften Ausführungsform mehrere
Dichtungsendpackungen oder Stopfbuchsenpackungen 256, die
neben der Rotorwelle 16 angeschlossen sind. Insbesondere
umgibt jede Dichtung 256 im Wesentlichen die Welle 16.
Alternativ kann die Dampfturbinenanordnung 202 lediglich
eine einzige oder keine Dichtungsendpackung 256 enthalten.
Die Dichtungsendpackungen 256 sind zwischen benachbarten
Gehäusen 226, 228, 230 und 232 der Dampfturbinenanordnung 202 positioniert.
Insbesondere sind die Dichtungsendpackungen 256 zwischen dem
Lager 220 und dem Niederdruckabschnitt 210 an
einem ersten Ende 258 des Gehäuses 226, zwischen
dem Zwischendruckabschnitt 208 und dem Lager 222 an
einem zweiten Ende 260 des Gehäuses 226, zwischen
der zweiten Kupplung 218 und dem Hochdruckabschnitt 206 an
einem ersten Ende 262 des Gehäuses 230, innerhalb
des Gehäuses 230 be nachbart
zu den Hochdruckabschnittseinlässen 236 sowie
zwischen dem Hochdruckabschnitt 206 und dem Lager 224 an
einem zweiten Ende 264 des Gehäuses 230 angeordnet.
Die Dichtungsendpackungen 256 helfen zu verhindern, dass
Dampf 22 aus der Dampfturbinenanordnung 202 an
unerwünschten
Stellen austritt.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
enthält
das Dampfturbinenkühlsystem 204 einen
Hilfskessel bzw. -boiler 266, eine Drucksteuerungsvorrichtung 268 und
einen Überhitzer 270.
Der Hilfskessel 266 erwärmt
Wasser 272, um gesättigten
Dampf 274 zu erzeugen. In der beispielhaften Ausführungsform
verbrennt der Hilfskessel 266 insbesondere einen Brennstoff 276,
um Wasser 272 zu erhitzen, wobei der Hilfskessel 266 jedoch
alternativ das Wasser 272 unter Verwendung eines beliebigen
sonstigen geeigneten Verfahrens und/oder einer beliebigen sonstigen
geeigneten Methode erwärmen
kann, das bzw. die der Anlage 10 ermöglicht, in der hier beschriebenen
Weise zu funktionieren. Ferner enthält der Hilfskessel 266 in
der beispielhaften Ausführungsform
einen ersten Auslass 278 und einen zweiten Auslass 280,
um gesättigten
Dampf 274 daraus ausströmen
zu lassen. Der erste Auslass 278 ist in Strömungsverbindung
mit der Drucksteuerungsvorrichtung 268 verbunden, während der
zweite Auslass 280 mit einem Überhitzer 270 in Strömungsverbindung
angeschlossen ist. In der beispielhaften Ausführungsform ermöglicht die
Drucksteuerungsvorrichtung 268 eine Reduktion des Drucks
des Sattdampfs 274, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend
beschrieben ist. Außerdem
ist der Überhitzer 270 in
der beispielhaften Ausführungsform
ein elektrischer Überhitzer,
der mehrere (nicht veranschaulichte) Widerstände enthält, die den gesättigten Dampf 274 überhitzen.
Alternativ kann die Drucksteuerungsvorrichtung 268 durch
eine beliebige sonstige Vorrichtung gebildet sein, die dem Kühlsystem 204 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funkti onieren. In einer weiteren
Ausführungsform ist
der Überhitzer 270 ein Überhitzer
von einer anderen als elektrischen Bauart.
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Die
Drucksteuerungsvorrichtung 268 enthält in der beispielhaften Ausführungsform
einen Auslass 282, der überhitzten
Dampf 284 in die Dampfturbinenanordnung 202 einleitet.
Da die Längen
L der Laufschaufeln 214 (gemessen in Radialrichtung von einem
Schaufelfuß 213 aus
bis zu einer Schaufelspitze 215) in dem Nieder- und dem
Zwischendruckabschnitt 210 und 208 größer sind
als die Längen
L der Schaufeln 214 innerhalb des Hochdruckabschnitts 206 und
weil Drehverluste von der Schaufellänge abhängig sind, ist der Auslass 282 insbesondere
eingerichtet, um überhitzten
Dampf 284 in die Dampfturbinenanordnung 202 an
der Verbindung 250 einzuführen. Außerdem enthält der Überhitzer 270 einen
Auslass 286, der überhitzten
Dampf 288 zu wenigstens einer Dichtungsendpackung 256 in
der Dampfturbinenanordnung 202 leitet.
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Während eines
beispielhaften Kraftwerkbetriebs wird Luft 110 durch den
Verdichter 102 in die Brennkammer 104 eingeblasen,
damit sie sich mit Brennstoff 114 vereinigt, der in die
Brennkammer 104 zur Erzeugung von Abgasen 116 eingespritzt
wird. Die Abgase 116 werden durch die Gasturbine 106 geleitet,
um darin (nicht veranschaulichte) Turbinenschaufeln zu drehen. Die
Drehung der Laufschaufeln wird über
die Rotorwelle 16 auf den Generator 14 übertragen,
um Leistung 28 zu erzeugen, die aus der Anlage 10 herausgeführt und/oder
innerhalb der Anlage 10 verwendet werden kann. An sich
trägt die Gasturbinenanordnung 100 eine
Last während
des beispielhaften Betriebs. Die Abgase 116 können Wasser 20 innerhalb
des AHDE 12 erwärmen,
wobei jedoch Dampf 22 von dem AHDE 12 nicht der
Dampfturbinenanordnung 202 zugeführt wird. An sich trägt die Dampfturbinenanordnung 202 in
dem beispielhaften Betrieb keine Last.
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Obwohl
die Dampfturbinenanordnung 202 während des beispielhaften Betriebs
keine Last trägt, laufen
die Schaufeln 214 in dem Hoch-, dem Zwischen- und dem Niederdruckabschnitt 206, 208 und 210 innerhalb
der jeweiligen Gehäuseelemente 226 und 230 um,
weil die Drehbewegung der Gasturbinenlaufschaufeln über die
Rotorwelle 16 auf die Dampfturbinenlaufschaufeln 214 übertragen
wird. Ein derartiger Betrieb wird als „Höchstdrehzahl-Leerlauf"-Betrieb bezeichnet.
In der beispielhaften Ausführungsform
laufen die Dampfturbinenschaufeln 214 je nach Konfiguration
der Anlage 10 mit ungefähr 3000–3600 U/Min
um, wenn die Gasturbinenanordnung 100 Last trägt. Während die
Dampfturbinenanordnung 202 bei der vollen Drehzahl ohne
Last arbeitet, ist außerdem
der Druck innerhalb der Dampfturbinenanordnung ungefähr gleich
dem Druck des Kondensators 212. Während eines derartigen Höchstdrehzahl-Leerlaufbetriebs
erwärmen
Luftwiderstandsverluste bzw. Ventilationsverluste in der Dampfturbinenanordnung 202 darin
befindliche Komponenten, wie beispielsweise die Laufschaufeln 214, und
sie erzeugen Drehverluste. In der beispielhaften Ausführungsform
sind die Drehverluste von der Länge
der Schaufeln 214 abhängig,
so dass die längeren Schaufeln 214 im
Vergleich zu den kürzeren
Schaufeln 214 mehr Drehverluste erzeugen.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
werden dem Hilfskessel 266 Wasser 272 und Brennstoff 276 zugeführt. Der
Brennstoff 276 wird in dem Hilfskessel 266 verbrannt,
um das Wasser 272 zu erwärmen. Wenn Wärme von
dem verbrennenden Brennstoff 276 auf das Wasser 272 übertragen
wird, wird das Wasser 272 in Sattdampf 274 gewandelt.
Der gesättigte
Dampf 274 wird aus dem Hilfskessel 266 heraus
in die Drucksteuerungsvorrichtung 268 und den Überhitzer 270 hinein
geleitet. Der aus dem Kessel 266 abgegebene Sattdampf 274 weist
eine Güte
x, die ungefähr
99,9% beträgt,
einen Druck P1, der ungefähr 150 psia
beträgt,
und eine Temperatur T1 auf, die ungefähr 358°F beträgt. Bezugnehmend auf 3 ist
dort Sattdampf 274 in dem Mollier-Diagramm 300 für Wasser
als ein Punkt 302 dargestellt. In der beispielhaften Ausführungsform
wird etwa 90% des in dem Kessel 266 erzeugten Sattdampfes 274 zu
der Drucksteuervorrichtung 268 geleitet, während ungefähr 10% des
Sattdampfes 274, wie er in dem Kessel 266 erzeugt
wird, zu dem Überhitzer 270 geleitet
wird.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
ermöglicht
die Drucksteuervorrichtung 268 eine Reduktion des Drucks
des gesättigten
Dampfes 274 von dem Druckwert P1 auf
einen zweiten Druckwert P2, wobei der Druck
P2 in einer (nicht veranschaulichten) Schale
des Niederdruckabschnitts 210 gemessen wird. In der beispielhaften
Ausführungsform
reduziert die Drucksteuervorrichtung 268 insbesondere den Druck
des gesättigten
Dampfes 274 von etwa 150 psia oder dem Druckwert P1 auf etwa 5–10 psia oder den Druckwert
P2, um überhitzten
Dampf 284 zu erzeugen. Alternativ kann der Druck P2 irgendein anderer Druck sein, der der Anlage 10 ermöglicht,
in der hier beschriebenen Weise zu funktionieren. In einer Ausführungsform
kann der Druckwert P2 auf der Basis eines
Niederdruckschalen-Einlassdrucks bzw. einer Dampfeintrittsspannung
an der Niederdruckschale und eines effektiven Strömungsdurchtrittsbereichs und/oder
einer vorbestimmten Menge des Kühldurchsatzes
ausgewählt
werden.
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Außerdem wird
in der beispielhaften Ausführungsform
die Enthalpie h des Sattdampfes 274 aufrechterhalten, wenn
der Dampf 274 expandiert wird, um überhitzten Dampf 284 zu
bilden. In einer weiteren Ausführungsform
variiert die Enthalpie h, wenn gesättigter Dampf 274 expandiert.
In der beispielhaften Ausführungsform
basiert die Enthalpie h des gesättigten
Dampfes 274 auf dem Massendurchsatz m . oder der Kühlung und
dem Gegendruck PB der Dampfturbinenanordnung 202,
wie dies in der grafischen Darstellung 400 nach 4 veranschaulicht ist. Die
Grafik 400 enthält
nicht den Dampfstrom 288 zu der Dichtungsendpackung 256,
und die in der Grafik 400 angezeigten Btu/lb-Werte kennzeichnen
die Enthalpie der Kühldampfströmung 274 und/oder 284. Außerdem beträgt die Enthalpie
h in der beispielhaften Ausführungsform
beispielsweise etwa 1185 Btu/lb. Wenn der gesättigte Dampf 274 expandiert, wie
hier beschrieben, wird der gesättigte
Dampf 274 zu überhitztem
Dampf 284, der eine Temperatur T2 aufweist,
die beispielsweise ungefähr
300°F beträgt. Der überhitzte
Dampf 284 ist in dem Mollier-Diagramm 300 als ein Punkt 304 dargestellt,
und der Expansionsprozess durch die Drucksteuerungsvorrichtung 268 ist
in dem Mollier-Diagramm 300 als eine Linie 306 dargestellt.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
wird überhitzter
Dampf 284 von der Drucksteuervorrichtung 268 zu
der Dampfturbinenanordnung 202 bei einem Massendurchsatz m . geleitet,
um eine Kühlung wenigstens
einer darin befindlichen Komponente zu unterstützen. In der beispielhaften
Ausführungsform wird
bei einem Druck P2 und einer Temperatur
T2 überhitzter
Dampf 284 der Dampfturbine mit einer Durchsatzrate m . zugeführt, die
beispielsweise ungefähr
55000 lbm/hr beträgt,
um eine letzte Reihe 289 von Laufschaufeln 214 in
dem Niederdruckabschnitt 210 bis auf eine Temperatur TF abzukühlen,
die beispielsweise ungefähr
400°F beträgt. Ein
derartiger Durchsatz m . entspricht der Enthalpie h bei dem gegebenen
Gegendruck PB. Ein derartiger Zustand ist durch
einen Punkt 408 in der Grafik 400 gekennzeichnet.
Alternativ kann der Massendurchsatz m . auf der Basis anderer Kühlparameter
bestimmt werden.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
wird überhitzter
Dampf 284 zu der Verbindungsstelle 250 geleitet,
so dass ein Teil 290 des Dampfes 284 in eine erste
Richtung durch den Nie derdruckabschnitt 210 strömt, während ein
anderer Teil 292 des Dampfes 284 in eine entgegengesetzte
zweite Richtung durch den Zwischendruckabschnitt 208 strömt. Außerdem erhitzt
der Überhitzer 270 in
der beispielhaften Ausführungsform
den gesättigten
Dampf 274, bis der gesättigte
Dampf 274 zu überhitztem
Dampf 288 wird. Die Bedingungen, wie beispielsweise die
Temperatur und der Druck, des überhitzten
Dampfs 288 beruhen beispielsweise auf der Temperatur des
Metalls innerhalb der Dichtungsendpackungen 256. In einer
Ausführungsform
verlässt überhitzter
Dampf 288 den Überhitzer 270 bei
einem Druck von ungefähr
130 psia bis ungefähr
140 psia und einer Temperatur von ungefähr 350°F bis ungefähr 750°F. Der überhitzte Dampf 288 wird
anschließend
zu wenigstens einer Dichtungsendpackung geleitet, um eine Abdichtung zwischen
dem Gehäuse 226 und/oder 230 und
der Rotorwelle 16 zu unterstützen.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene
Vorrichtung ermöglichen
eine Kühlung
einer Dampfturbinenkomponente in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk.
Insbesondere ermöglicht
das Kühlsystem
die Bereitstellung von Sattdampf zur Verwendung bei der Kühlung einer Dampfturbinenkomponente.
Genauer gesagt enthält das
Kühlsystem
eine Drucksteuerungsvorrichtung, die eine Überhitzung des gesättigten
Dampfes ermöglicht,
bevor der Dampf in die Dampfturbine eingebracht wird. An sich unterstützt das
Kühlsystem
eine Reduktion der zur Erzeugung überhitzten Dampfes erforderlichen
Leistung im Vergleich zu Kraftwerken, die einen elektrischen Überhitzer
und/oder einen in dem Hilfskessel integralen Überhitzer verwenden, um Dampf
vor der Einspeisung in die Dampfturbine zu überhitzen. Das vorstehend beschriebene
Kühlsystem
ermöglicht
es insbesondere, dass der durch den Kessel abgegebene gesättigte Dampf
durch eine Drucksteuerungsvorrichtung anstelle eines weniger effizienten
elektrischen Überhitzers
und/oder integralen Überhitzers überhitzt
wird. Der Hilfskessel benötigt als
solcher keinen integralen Überhitzer,
was die mit der Kraftwerkanlage verbundenen Kosten im Vergleich
zu Kraftwerken reduziert, die einen Hilfskessel mit einem integralen Überhitzer
enthalten.
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Da
die Temperatur und der Druck des Kühldampfes, der von der Drucksteuerungsvorrichtung aus
in die Dampfturbine eintritt, im Vergleich zu der Temperatur und
dem Druck eines von einem elektrischen Überhitzer gelieferten Dampfes
reduziert sind, kann ein kleinerer Massendurchsatz für das Kühlsystem
verwendet werden, um Komponenten innerhalb der Dampfturbine zu kühlen. An
sich unterstützt
das vorstehend beschriebene Kühlsystem
eine Reduktion der Betriebskosten des Kraftwerks im Vergleich zu Kraftwerken,
die einen höheren
Massendurchsatz von Dampf erfordern, um Komponenten innerhalb der
Dampfturbine zu kühlen.
Darüber
hinaus kann die Dampfturbine während
Betriebszeiträume,
in denen lediglich die Gasturbine eine Last trägt, durch die Verwendung der
oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen mit der Gasturbine
gekoppelt bleiben. An sich hilft das Kühlsystem, eine erneute Synchronisierung
der Dampfturbine und der Gasturbine, während die Gasturbine arbeitet,
zu vermeiden.
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Vorstehend
sind beispielhafte Ausführungsformen
eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Kühlung einer Dampfturbinenkomponente
in Einzelheiten beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung sind
nicht auf die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so
dass vielmehr Komponenten des Verfahrens und der Vorrichtung unabhängig und
gesondert von anderen Komponenten, wie sie hier beschrieben sind,
eingesetzt werden können.
Beispielsweise kann das Kühlsystem
auch in Verbindung mit anderen Kraftwerksystemen und Verfahren eingesetzt
werden und ist nicht darauf beschränkt, lediglich im Zusammenhang
mit Stromversorgungssystemen und deren Betrieb, wie hier beschrieben,
betrieben zu werden. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung in
Verbindung mit vielen anderen Kühlanwendungen
für Turbinen
realisiert und genutzt werden.
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Während die
Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden
ist, wird ein Fachmann erkennen, dass die Erfindung innerhalb des
Rahmens und Schutzumfangs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
-
Es
ist ein Kühlsystem 204 zur
Verwendung mit einer Dampfturbine 200 geschaffen. Das Kühlsystem
enthält
eine Sattdampfquelle und eine Drucksteuerungsvorrichtung 268,
die mit der Sattdampfquelle in Strömungsverbindung gekoppelt ist,
wobei die Drucksteuerungsvorrichtung eine Reduktion des Drucks des
Sattdampfes 274 ermöglicht,
um überhitzten
Dampf 284 zu erzeugen, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung
eingerichtet ist, um mit der Dampfturbine in Strömungsverbindung gekoppelt zu werden,
um dieser überhitzten
Dampf zuzuführen.
-
- 10
- Kraftwerk
- 12
- Abhitzedampferzeuger
(AHDE)
- 14
- Generator
- 16
- Rotorwelle
- 18
- Erste
Kupplung
- 20
- Heizwasser
- 22
- Dampf
- 24
- Umgebung
- 26
- Kondensierter
Dampf
- 28
- Erzeugte
Leistung
- 100
- Gasturbinenanordnung
- 102
- Verdichter
- 104
- Brennkammer
- 106
- Gasturbine
- 108
- Lufteinlass
- 110
- Druckluft
- 112
- Brennstoffeinlass
- 114
- Brennstoff
- 116
- Abgase
- 200
- Dampfturbinensystem
- 202
- Dampfturbinenanordnung
- 204
- Dampfturbinenkühlsystem
- 206
- Hochdruckabschnitt
- 208
- Zwischendruckabschnitt
- 210
- Niederdruckabschnitt
- 212
- Kondensator
- 213
- Schaufelfuß
- 214
- Laufschaufeln
- 215
- Schaufelspitze
- 216
- Reihen
- 218
- Zweite
Kupplung
- 220
- Lager
- 222
- Lager
- 224
- Lager
- 226
- Erstes
Gehäuse
- 228
- Zweites
Gehäuse
- 230
- Gehäuse
- 232
- Viertes
Gehäuse
- 234
- Dampfströmungsweg
- 236
- Hochdruckabschnittseinlässe
- 238
- Erstes
Ventil
- 240
- Auslass
- 242
- Zwischenüberhitzer
- 244
- Zweite
Ventile
- 246
- Einlass
- 248
- Auslass
- 250
- Vertikale
Verbindung
- 252
- Einlass
- 254
- Auslass
- 256
- Dichtungsendpackungen
- 258
- Erstes
Ende
- 260
- Zweites
Ende
- 262
- Erstes
Ende
- 264
- Zweites
Ende
- 266
- Hilfskessel,
-boiler
- 268
- Drucksteuerungsvorrichtung
- 270
- Überhitzer
- 272
- Wasser
- 274
- Gesättigter
Dampf
- 276
- Brennstoff
- 278
- Erster
Auslass
- 280
- Zweiter
Auslass
- 282
- Auslass
- 284
- Überhitzter
Dampf
- 286
- Auslass
- 288
- Überhitzter
Dampf
- 289
- Letzte
Reihe
- 290
- Teil
- 292
- Weiterer
Teil
- 300
- Mollier-Diagramm
- 302
- Punkt
- 304
- Punkt
- 306
- Linie
- 400
- Grafik
- 402
- Dampfturbinengegendruck
- 404
- Kühldurchsatz
- 406
- Enthalpie
- 408
- Punkt