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Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk umfassend einen Hauptturbosatz, einen Kondensator, eine Speisewasserpumpe, eine Tuning-Turbine zum Antreiben der Speisewasserpumpe, wobei die Tuning-Turbine als Dampfturbine ausgebildet ist, wobei ein Dampfauslaß mit einer Dampfzuführung aus dem Turbosatz strömungstechnisch verbunden ist.
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In Dampfkraftwerken bzw. in Kraftwerksprozessen wird Speisewasser verwendet, um in einem Dampferzeuger zu komprimierten und hoch temperierten Dampf umzuwandeln, der anschließend in einem Dampf-Hauptturbosatz thermisch umgewandelt wird. Das Speisewasser wird mit Hilfe von sogenannten Kesselspeisepumpen gegen den Widerstand des Frischdampf-Druckes in den Kessel bzw. Dampferzeuger gepumpt. Häufig werden diese Kesselspeisepumpen durch Dampfturbinen angetrieben und als Speisepumpen-Antriebsturbine (SPAT) bezeichnet. Bei der Auslegung dieser Pumpen-Antriebssysteme muss berücksichtigt werden, dass die Kesselspeisepumpe in Extremfällen einen 20% bis 30% erhöhten Leistungsbedarf benötigt (Bypass-Betrieb des Hauptturbosatzes). Dieser erhöhte Leistungsbedarf muss durch die Speisepumpen-Antriebsturbine bereitgestellt werden. Dazu wird bei der Konstruktion bzw. Schaltung der Speisepumpen-Antriebsturbine eine entsprechende Reserve berücksichtigt und vorgehalten.
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In herkömmlichen oder typischen Kraftwerksprozessen mit einer einfachen oder doppelten Zwischenüberhitzereinheit wird die Speisepumpen-Antriebsturbine aus einer Anzapfung der Hauptdampfturbine gespeist (bei einem Druckniveau zwischen 10 und 15 bar) und anschließend auf ein Kondensatorniveau expandiert. Die Speisepumpen-Antriebsturbine kann hierbei einen eigenen Kondensator haben oder der Abdampf der Speisepumpen-Antriebsturbine wird auf den Kondensator der Hauptdampfturbine geleitet. Im Falle einer erhöhten Leistungsanforderung wird die Speisepumpen-Antriebsturbine zusätzlich aus einer Anzapfung gespeist, die einen höheren Druck aufweist (typischerweise aus der kalten Zwischenüberhitzung).
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Problematisch ist, wenn die Speisepumpen-Antriebsturbine als sogenannte Tuning-Turbine mit einer Speisung aus einer obersten Anzapfung der Hauptdampfturbine und Abdampf auf einen Regenerativ-Vorwärmer ausgeführt ist. Denn in diesem Fall ist eine Steigerungt der Leistung durch ein Umschalten auf eine im Druck höhere Anzapfung nicht möglich. Eine mögliche technische Lösung zur Sicherstellung der Leistungsreserve ist eine ausreichende Vordrosselung der Speisepumpen-Antriebsturbine im Nennbetrieb. Solch eine Androsselung ist aber vom Standpunkt des Wirkungsgrades her im Dauerbetrieb ein Nachteil.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speisepumpen-Antriebsturbine besser auszulasten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Dampfkraftwerk gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Tuning-Turbine in einem Dampfkraftwerk gemäß Anspruch 4.
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Eine erhöhte Leistungsanforderung an die Speisepumpen-Antriebsturbine erfolgt in dem Falle, dass Drosselorgane vor der Speisepumpen-Antriebsturbine bereits komplett bzw. voll geöffnet sind, durch Umschalten des Abdampfes auf den Hauptkondensator. Dabei muss wiederum ein Drosselorgan zwischen der Speisepumpen-Antriebsturbinen-Abdampf und Kondensator den Gegendruck so einstellen, dass entweder dieses Drosselorgan die Leistungs- bzw. Drehzahlregelung übernimmt oder der Druck am Speisepumpen-Antriebsturbinen-Abdampf so abgesenkt wird, dass zum einen die Beschaufelung der Speisepumpen-Antriebsturbine nicht überlastet wird und zum anderen die Drosselorgane vor der Speisepumpen-Antriebsturbine wieder eine Regelreserve aufweisen. Dadurch ist es möglich, für die Speisepumpen-Antriebsturbine ein erhöhtes Enthalpiegefälle bereitzustellen, so dass eine höhere Leistung erreicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Abdampfdruck abgesenkt wird. Im Stand der Technik wird dies durch eine Anhebung des Zudampfdruckes erreicht, welcher bei der vorgesehenen Anwendung aufgrund der vorteilhaften Verschaltung der Speisepumpen-Antriebsturbine auf die oberen Anzapfungen des Hauptturbosatzes nicht mehr möglich ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des Hauptkondensators eine Umschaltung auch auf einen (hinsichtlich des Druckes) tiefer liegenden Vorwärmer erfolgen.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Abdampf der Speisepumpen-Antriebsturbine in einen Leitungsabschnitt oder einem Turbinengehäuse der Hauptdampfturbine eingeleitet werden. In diesem Falle sind regelungstechnische Maßnahmen zu treffen, die im Falle eines Schnellschlusses der Hauptdampfturbine ein sicheres Abfahren gewährleisten, z. B. durch doppelte Absperrungen, leittechnische Ausführung entsprechend der sicherheitstechnischen Bedeutung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Vorwärmer bzw. die Einspeisestelle als Funktion der Speisepumpen-Leistungsanforderung gezielt ausgewählt. Dies könnte auch als „Wanderabdampf” bezeichnet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Tuning-Turbine bzw. Speisepumpen-Antriebsturbine mit Anzapfungen ausgeführt, welche zur regenerativen Speisewasservorwärmung der Dampfkraftanlage dienen. Dadurch wird eine angepasste Temperatur des Anzapfdampfes erreicht und ein Exergieverlust für die Speisewasservorwärmung vermieden, was sich vorteilhaft auf den Gesamtwirkungsgrad der Gesamtanlage auswirkt.
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Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die neue Lösung eine Wirkungsgrad optimierte Schaltung für den Nennbetrieb anbietet, bei dem die Tuning-Turbine bzw. Speisepumpen-Antriebsturbine ohne eine wesentliche Drosselung betrieben werden kann (dadurch hoher Wirkungsgrad im lang andauernden Nennbetrieb bzw. im oberen Teillastbetrieb). Dieser Vorteil stellt zudem eine Wahrung der sicheren Betreibbarkeit des Hauptturbosatzes und der Tuning-Turbine bzw. Speisepumpen-Antriebsturbine bei Sonderlastfällen wie Bypassbetrieb der Hauptdampfturbine dar.
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In einem sogenannten letzteren Betriebspunkt wird aufgrund der Umschaltung eine Mehrleistung erreicht, die allerdings mit einem geringeren Wirkungsgrad verbunden ist, was aufgrund der kurzen Betriebsdauer im Bypassbetrieb durchaus akzeptiert werden kann.
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Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Tuning-Turbine bzw. Speisepumpen-Antriebsturbine auch bei unterschiedlichen Anforderungen des Hauptturbosatzes zu ermöglichen, ist eine parallele Stützung einzelner oder mehrerer Vorwärmer inklusive des Speisewasserbehälters, welche durch Anzapfungen bzw. Abdampf der Speisepumpen-Antriebsturbine versorgt werden, aus dem Hauptturbosatz oder dem Wasser-Dampf-Kreislauf vorzusehen. Im Falle einer moderaten Erhöhung der Leistungsanforderung der Speisepumpen-Antriebsturbine bzw. Tuning-Turbine können Anzapfmassenströme reduziert werden und durch Stützungsmassenströme ersetzt werden. Vorteilhafte Weise ist die Tuning-Turbine bzw. Speisepumpen-Antriebsturbine mit einer Drosselreserve ausgelegt, die typische lange langzeitige Betriebsarten ohne Umschaltung auf den Kondensator abdecken können.
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Erfindungsgemäß wird die Leistungsanforderung durch Erhöhung des Gefälles nicht durch erhöhten Druck am Eintritt realisiert, sondern durch Absenkung des Gegendrucks. Eine Erhöhung des Druckes am Eintritt wäre nur möglich durch Stützen der Speisepumpen-Antriebsturbine aus dem Frischdampf, was aber zur Folge haben würde, dass die Speisepumpen-Antriebsturbine einen großen Temperatursprung verkraften müsste und für vergleichsweise hohe Eintrittstemperaturen ausgelegt werden müsste.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bauteilbeanspruchung und der Wirkungsgrad sowie die Betreibbarkeit einer Dampfkraftanlage verbessert wird. Die Erfindung ist in besonderer Weise für die Anwendung in Wirkungsgrad kritischen Großkraftwerksanlagen mit einfacher oder doppelter Zwischenüberhitzung einsetzbar.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen in schematischer Weise folgendes dar:
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1 ein Dampfkraftwerk gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk;
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3 eine graphische Darstellung der Leistung über den Ventilhub.
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Die 1 zeigt ein Dampfkraftwerk 1 gemäß dem Stand der Technik. Das Dampfkraftwerk 1 umfasst einen Hauptturbosatz 2, der eine Hochdruck-Teilturbine 3, eine erste Mitteldruck-Teilturbine 4 und eine zweite Mitteldruck-Teilturbine 5 sowie eine Niederdruck-Teilturbine 6 umfasst. Die Hochdruck-Teilturbine 3 wird über eine Frischdampfleitung 7 mit einem Dampferzeuger bzw. Kessel 8 mit Frischdampf versorgt. Der aus der Hochdruck-Teilturbine 3 ausströmende Dampf wird in einer kalten Zwischenüberhitzerleitung 9 zu einem ersten Zwischenüberhitzer 10 geführt. In dem ersten Zwischenüberhitzer 10 wird der Dampf erhitzt und anschließend über eine heiße Zwischenüberhitzerleitung 11 zur ersten Mitteldruck-Teilturbine 4 geführt. Der aus der ersten Mitteldruck-Teilturbine 4 ausströmende Dampf wird über eine weitere kalte Zwischenüberhitzerleitung 12 in einen zweiten Zwischenüberhitzer 13 geführt. Dieser Dampf wird wiederum erhitzt und über eine weitere heiße Zwischenüberhitzerleitung 14 zur zweiten Mitteldruck-Teilturbine 5 geführt. Der aus der zweiten Mitteldruck-Teilturbine 5 ausströmende Dampf entspannt in einer Niederdruck-Teilturbine 6 und strömt anschließend in einen Hauptkondensator 15. Im Hauptkondensator 15 kondensiert der entspannte Dampf zu Wasser und wird über eine erste Leitung 16 zu einer Speisewasserpumpe 17 geführt. Durch die Speisewasserpumpe 17 wird das Wasser gegen den Frischdampfdruck in den Dampferzeuger bzw. Kessel 8 gedrückt. Angetrieben wird die Speisewasserpumpe durch eine Speisepumpen-Antriebsturbine (SPAT), die auch als Tuning-Turbine bezeichnet werden kann. Die Speisepumpen-Antriebsturbine 18 ist als eine Dampfturbine ausgebildet und wird frischdampfseitig 19 über ein Drosselorgan 20 mit der kalten Zwischenüberhitzerleitung 19 strömungstechnisch verbunden. Die thermische Energie des in der kalten Zwischenüberhitzerleitung 9 befindlichen kalten Zwischenüberhitzerdampfes entspannt in der Speisepumpen-Antriebsturbine 18 und treibt einen nicht näher dargestellten Rotor 21, der schließlich die Speisewasserpumpe 17 antreibt. Die Speisepumpen-Antriebsturbine 18 weist eine Anzapfung 22 auf, aus der Dampf zu einem weiteren Kondensator 23 geführt wird. Der in diesem weiteren Kondensator 23 geleitete Dampf kondensiert zu Wasser und strömt über eine zweite Leitung 24 zu einem Vorwärmer 25. Der ausgangsseitige Abdampf 26 strömt über eine Abdampfleitung 27 ebenfalls zum Vorwärmer 25 und wärmt das Speisewasser vor. Das Drosselorgan 22 ist im Stand der Technik für eine Leistungs- bzw. Drehzahlregelung im Normalbetrieb stark angedrosselt. Der Abdampf der Speisepumpen-Antriebsturbine 18 wird im Normalbetrieb auf den Vorwärmer 25 geleitet. Der Hauptturbosatz 2 treibt schließlich einen elektrischen Generator 28 zur Erzeugung von elektrischer Energie an.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Dampfkraftwerksanlage 1. Der Unterschied zur Dampfkraftanlage 1 gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass die Dampfleitung 27 zusätzlich über eine Kondensatorabdampfleitung 29 zum Hauptkondensator 15 geführt wird. Das bedeutet, dass der aus der Speisepumpen-Antriebsturbine 18 ausströmende Dampf sowohl zum Vorwärmer 25 als auch zum Hauptkondensator 15 strömen kann. In der Kondensatorabdampfleitung 29 ist ein zweites Drosselorgan 30 angeordnet.
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Das Drosselorgan 30 öffnet zu 100% in einem bestimmten Betriebszustand und gibt damit dem ersten Drosselorgan 20 vor der Speisepumpen-Antriebsturbine 18 einen größeren Regelspielraum. Der Abdampf der Speisepumpen-Antriebsturbine 18 wird bei einem erhöhten Leistungsbedarf der Speisewasserpumpe auf den Hauptkondensator 15 geleitet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Stützleitung 31, die die kalte Zwischenüberhitzerleitung 12 mit einem Eingang 32 des Vorwärmers 25 verbindet, angeordnet werden.
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Die 3 zeigt das Verhältnis zwischen der Leistung 33 und dem Ventilhub 34. Die erste Gerade 35 zeigt den Verlauf der Leistung über den Ventilhub 34, wenn die Kondensatorumschaltung geöffnet ist. Die zweite Gerade 36 zeigt die Leistung über den Ventilhub 34, wenn die Kondensatorumschaltung geschlossen ist.
