DE102008044441A1

DE102008044441A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterstützung der Kühlung einer Dampfturbinenkomponente

Info

Publication number: DE102008044441A1
Application number: DE102008044441A
Authority: DE
Inventors: Nestor Sanchez Hernandez; Clifford Edward Samson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-03-05
Also published as: RU2498090C2; RU2008135211A; FR2920470B1; US8424281B2; FR2920470A1; JP2009057966A; US20090056341A1; JP5575381B2

Abstract

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.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Dampfturbinenkomponenten und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen, die eine Kühlung von Dampfturbinenkomponenten ermöglichen.
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.
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Kombikraftwerks.
2 zeigt eine schematisierte Ansicht eines beispielhaften Dampfturbinensystems, das in Zusammenhang mit dem in 1 veranschaulichten Kraftwerk eingesetzt werden kann.
3 zeigt eine grafische Darstellung eines beispielhaften Enthalpie-Entropie-Diagramms, das verwendet werden kann, wenn das in 2 veranschaulichte System eingesetzt wird.
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.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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 P_B 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 P_B 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.
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 T_F abzukühlen, die beispielsweise ungefähr 400°F beträgt. Ein derartiger Durchsatz m . entspricht der Enthalpie h bei dem gegebenen Gegendruck P_B. 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.
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.
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.
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.
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.
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

Claims

Kühlsystem (204) zur Verwendung mit einer Dampfturbine (200) wobei das Kühlsystem aufweist: eine Sattdampfquelle; und eine Drucksteuerungsvorrichtung (268), die mit der Sattdampfquelle in Strömungsverbindung angeschlossen ist, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung eine Reduktion des Drucks des gesättigten Dampfes (274) ermöglicht, um überhitzten Dampf (284) zu bilden, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung konfiguriert ist, um in Strömungsverbindung mit der Dampfturbine angeschlossen zu sein, um dieser überhitzten Dampf zuzuführen.
Kühlsystem (204) nach Anspruch 1, das ferner einen elektrischen Überhitzer (270) aufweist, der mit der Sattdampfquelle in Strömungsverbindung angeschlossen ist, wobei der elektrische Überhitzer konfiguriert ist, um: gesättigten Dampf (274) zu überhitzen; und überhitzten Dampf (284) zu wenigstens einer Dichtungsanordnung zu leiten, die mit der Dampfturbine (200) gekoppelt ist.
Kühlsystem (204) nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung (268) eine Verringerung einer Temperatur des gesättigten Dampfes (274) von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur ermöglicht.
Kühlsystem (204) nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung (268) konfiguriert ist, um die Enthalpie des gesättigten Dampfes (274) im Wesentlichen aufrechtzuerhalten.
Kühlsystem (204) nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem konfiguriert ist, um gesättigten Dampf (274) der Dampfturbine (200) zuzuführen, während die Dampfturbine in einem ersten Betriebszustand betrieben wird.
Kombisystem, das aufweist: eine Gasturbine (100); eine Dampfturbine (200), die mit der Gasturbine über eine Rotorwelle (10) gekoppelt ist; und ein Dampfturbinenkühlsystem (204), das mit der Dampfturbine in Strömungsverbindung angeschlossen ist, wobei das Kühlsystem aufweist: eine Sattdampfquelle; und eine Drucksteuerungsvorrichtung (268), die mit der Sattdampfquelle in Strömungsverbindung angeschlossen ist, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung konfiguriert ist, um gesättigten Dampf zu überhitzen.
Kombisystem nach Anspruch 6, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung (268) konfiguriert ist, um überhitzten Dampf (284) zu wenigstens einer Komponente innerhalb der Dampfturbine (200) zu leiten.
Kombisystem nach Anspruch 6, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung (268) konfiguriert ist, um eine Betriebstemperatur des gesättigten Dampfes (274) von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur zu verringern.
Kombisystem nach Anspruch 6, wobei die Drucksteuerungsvorrichtung (268) konfiguriert ist, um die Enthalpie des gesättigten Dampfes (274) im Wesentlichen aufrechtzuerhalten.
Kombisystem nach Anspruch 6, wobei das Kühlsystem (204) konfiguriert ist, um gesättigten Dampf (274) der Dampfturbine (200) zuzuführen, wenn die Dampfturbine sich in einem ersten Betriebszustand befindet und die Gasturbine (100) sich in einem zweiten Betriebszustand befindet, der sich von dem ersten Betriebszustand unterscheidet.