Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Dampfturbine mit mehreren Stufen im Leerlauf oder Schwachlastbetrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbine mit mehreren Stufen im Leerlauf oder Schwachlastbetrieb, wobei sämtliche Stufen mit Dampf beaufschlagt werden. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Ver- teilung von Dampf auf einzelne Stufen einer Dampfturbine im Leerlauf oder Schwachlastbetrieb, insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens .
Dampfturbinen und ihre Auslegungsprobleme sind insbesondere dargestellt in Prof. Dr.-Ing. H.-J. Thomas, „Thermische
Kraftanlagen , 2. Auflage, 1985, Springer-Verlag. Einzelheiten zur Berechnung der Enthalpie und weiterer thermodynami- scher Größen lassen sich beispielsweise entnehmen aus „Technische Formeln für die Praxis*, 24. Auflage, 1984, VEB Fach- buchverlag Leipzig.
Die Startzeiten von Dampfturbinen müssen ständig weiter verkürzt werden. Kürzere Startzeiten lassen sich nur erreichen, wenn möglichst alle Stufen zur gleichen Zeit mit einem mög- liehst großen Massenstrom beaufschlagt werden. Nur durch diese Beaufschlagung läßt sich die für eine möglichst kurze Startzeit erforderliche Vorwärmung der Dampfturbine erreichen. Durch die Beaufschlagung mit dem Massenstrom darf allerdings die von der Turbine erzeugte Leistung die Leerlauf- last nicht überschreiten. Bei Überschreiten der Leerlauflast kann es zu unkontrollierten Drehzahlerhöhungen der Dampftur- bine kommen. Der insgesamt zuführbare Gesamtmassenstrom ist daher begrenzt.
Im Leerlauf oder Schwachlastbetrieb treten in der Hochdruckstufe (HD-Stufe) abdampfseitig hohe Ventilationsleistungen auf. Diese hohen Ventilationsleistungen führen zu hohen ab-
dampfseitigen Temperaturen. Der HD-Stufe muß daher ein großer Teil des Massenstroms zugeführt werden, um unzulässig hohe Temperaturen zu verhindern. Allerdings verlangt auch die Niederdruckstufe (ND-Stufe) einen vergleichsweise hohen Massen- ström, insbesondere beim Einsatz großer ND-Stufen-Querschnit- te und neuer Werkstoffe, beispielsweise Titan für die Schaufeln der ND-Stufe. Auch die Mitteldruckstufe (MD-Stufe) benötigt einen Teil des Massenstroms.
Wenn sowohl die HD-Stufe als auch die ND-Stufe mit dem erforderlichen, hohen Massenstrom beaufschlagt werden, liegt die insgesamt erzeugt Leistung deutlich oberhalb der Leerlaufleistung. Es wurde daher versucht, die Verteilung der Massenströme mittels Vorausberechnung so einzustellen, daß ein Leerlaufbetrieb ermöglicht wurde. Die Massenströme durch die HD-Stufe und die MD-ND-Stufe wurden hierbei so verteilt, daß die Leistung nicht über der geforderten Leerlaufleistung lag. Es wurde lediglich eine Überhitzung der HD-Stufe durch Überwachung der abdampfseitig auftretenden Temperatur vermieden. Der MD-ND-Stufe wurde nur ein geringer Massenstrom überlassen. Falls der Massenstrom für die MD-ND-Stufe nicht ausreichend war oder die abdampfseitige Temperatur der HD-Stufe einen vorgegebenen Wert überschritt, wurde Teilschnellschluß der HD-Stufe ausgelöst. Es wurde daher zumindest die HD-Stufe nur unzureichend vorgewärmt. Aufgrund dieser unzureichenden Vorwärmung ergab sich zwangsweise eine längere Startzeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine gute Vor- wärmung sämtlicher Stufen einer Dampfturbine ohne Überschreiten der Leerlauflast oder der Schwachlastbetriebslast ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Beau schlagung einer Stufe derart gewählt wird, daß diese Stufe möglichst wenig Leistung abgibt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sämtliche Stufen der Dampfturbine mit Dampf beaufschlagt werden. Die Beaufschlagung erfolgt derart, daß eine Stufe möglichst wenig Leistung abgibt. Diese Stufe erzeugt daher nur wenig Leis- tung, so daß die verbleibenden Stufen mit einem vergleichsweise großen Massenstrom beaufschlagt werden können. Sämtliche Stufen werden daher zuverlässig vorgewärmt, so daß kurze Startzeiten realisiert werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Vorteilhaft werden die Enthalpie des Dampfs beim Eintritt in diese Stufe und die Enthalpie des Dampfs beim Austritt aus dieser Stufe ermittelt und die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt und Austritt minimiert. Die von einer Stufe abgegebene Leistung ist direkt proportional zur Enthalpiedifferenz. Durch ein Minimieren der Enthalpiedifferenz kann daher die abgegebene Leistung bei gleichem oder sogar erhöhtem Massen- ström minimiert werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Temperatur des Dampfs beim Eintritt in diese Stufe und die Temperatur des Dampfs beim Austritt aus dieser Stufe gemessen und hier- aus die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt und Austritt ermittelt, insbesondere errechnet. Die Temperatur des Dampfs ist einfach zu messen, so daß der Meßaufwand verringert wird.
Vorteilhaft wird zur Erhöhung der Genauigkeit zusätzlich der Druckabfall zwischen dem Eintritt in diese Stufe und dem Austritt aus dieser Stufe gemessen und bei der Errechnung der Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt und Austritt berücksichtigt. Die Enthalpie des durch die Stufe strömenden Dampfes hängt sowohl vom Druck als auch der Temperatur ab. Durch eine Berücksichtigung von Druck und Temperatur läßt sich die Enthalpiedifferenz genauer bestimmen, insbesondere errechnen, als durch die alleinige Berücksichtigung der Temperatur.
In anderer vorteilhafter Weiterbildung werden die Enthalpie des Dampfs beim Eintritt in diese Stufe und die Enthalpie des Dampfs beim Austritt aus dieser Stufe gemessen.- Ein geeignetes Verfahren zur Messung der Enthalpie von Dampf ist bei- spielsweise in der auf dieselbe Anmelderin zurückgehenden W099/15887 beschrieben. Diese Druckschrift verweist zur Bestimmung der Enthalpie von Heißdampf, also von überhitztem Dampf, auf die DE-AS 10 46 068. Demgegenüber betrifft die W099/15887 ein Meß- und Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Enthalpie von Naßdampf. Zur Probenentnahme wird ein Teilvolumenstrom des Naßdampfes mit einem Referenzgas zu einem Gemisch zusammengeführt, so daß die flüssigen Bestandteile des Teilvolumenstroms vollständig verdampfen. Anhand gemessener physikalischer Größen werden die Enthalpie des Referenz- gases und die Enthalpie des Gemisches bestimmt und hieraus die Enthalpie des Naßdampfes berechnet. Die Offenbarung der W099/15887 und der DE-AS 10 46 068 soll ausdrücklich vom Inhalt der vorliegenden Anmeldung umfaßt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird der dieser Stufe zugeführte Massenstrom zur Minimierung der Enthalpiedifferenz verändert. Im vorderen Teil dieser Stufe erzeugt der zugeführte Massenstrom Leistung durch Expansion. Abdampfseitig wird der Massenstrom wieder verdichtet und verbraucht hier- durch Leistung. Durch eine Veränderung des zugeführten Massenstroms kann ein Gleichgewicht zwischen den beiden Vorgängen gefunden und hierdurch die Enthalpiedifferenz minimiert werden.
Vorteilhaft wird die Beaufschlagung dieser Stufe derart geregelt, daß diese Stufe keine Leistung abgibt. Hierfür ist erforderlich, daß die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt und Austritt zu Null geregelt wird. Der durch diese Stufe strömende Massenstrom stellt somit keine Leistung bereit und dient allein zum Vorwärmen. Die weiteren Stufen der Dampfturbine können dann mit dem vollständigen Massenstrom zur Überwindung der Leerlauflast beaufschlagt werden. Es werden daher
alle Stufen mit dem maximalen Massenstrom beaufschlagt und optimal vorgewärmt. Die Startzeiten können somit wesentlich verringert werden.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Vorrichtung eine erste Meßstelle zur Erfassung der Enthalpie des einer Stufe zugeführten Massenstroms, eine zweite Meßstelle zur Erfassung der Enthalpie des aus dieser Stufe austretenden Massenstroms, eine Vergleichseinheit zum Ermitteln der Enthalpiediffere z und eine Einheit zur Einstellung des dieser Stufe zugeführten Massenstroms aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Ermittlung der Enthalpiedifferenz entweder durch eine direkte Messung der jeweils vorliegenden Enthalpien oder durch eine Messung von für die Enthalpie relevanten Parametern, wie Druck und Temperatur. Über die Einheit zur Einstellung des zugeführten Massenstroms kann die ermittelte Enthalpiedifferenz geregelt werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche oder funktionsidenti- sehe Bauteile wurden hierbei dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Dampfturbine; und
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der HD-Stufe in zweiter Ausgestaltung.
In Figur 1 ist eine Dampfturbine 10 mit einer HD-Stufe 11 und einer kombinierten MD-ND-Stufe 12 dargestellt. Die Stufen 11, 12 sind über eine Welle 13 miteinander verbunden, die einen Generator 14 zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt. Die Welle 13 und der Generator 14 können über eine nicht nä-
her dargestellte Einrichtung voneinander entkoppelt werden. Zur Erzeugung des zum Betrieb und im Leerlauf erforderlichen Dampfes dient ein Dampferzeuger 15. Stromabwärts der MD-ND- Stufe 12 ist ein Kondensator 16 zum Kondensieren des austre- tenden Dampfes vorgesehen. Das Kondensat wird über Pumpen 17, einen MD/ND-Vorwärmer 18 sowie zwei HD-Vorwärmer 19, 20 wieder zum Dampferzeuger 15 zurückgeführt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Betrieb sind eine Zwischenüberhitzung 21 sowie eine Speisewasservorwärmung A, B, C, D, n vorgesehen. Die ge- nannten Bauteile sowie ihre Funktion sind dem Fachmann bekannt, so daß von einer näheren Erläuterung abgesehen wird.
Der Dampferzeuger 15 stellt einen Massenstrom m bereit. Stromaufwärts der HD-Stufe 11 wird der Massenstrom m aufge- teilt. Ein erster Massenstrom m x wird der HD-Stufe 11 zugeführt, während der verbleibende Massenstrom m 2 an der HD- Stufe 11 vorbei direkt zur Zwischenüberhitzung 21 geführt wird. Die MD-ND-Stufe 12 wird mit einem Massenstrom m 2 beaufschlagt. Der verbleibende Massenstrom rn wird an der MD- ND-Stufe 12 vorbei direkt zum Kondensator 16 geleitet. Zur
Einstellung der Massenströme m x , m 3 dienen Ventile 22, 23, 24. Die Massenströme m 2, nι 4 ergeben sich automatisch aus der Einstellung der Massenströme m l r m 3.
Stromaufwärts der HD-Stufe 11 ist eine erste Meßstelle 25 und stromabwärts eine zweite Meßstelle 26 vorgesehen. Für die von der HD-Stufe 11 erzeugte Leistung P gilt, bei der üblichen Annahme einer isentropen Entspannung:
mit: Wi Massenstrom hi Enthalpie an Meßstelle 25 h2 Enthalpie an Meßstelle 26 Δh Enthalpiedifferenz zwischen Meßstellen 26, 25
Da der Massenstrom m durch die HD-Stufe 11 im stationären Betrieb konstant ist, ist die Leistung P direkt proportional zur Enthalpiedifferenz Δh. Mit Ausnahme mechanischer Verluste wird diese Leistung auch abgegeben. Zur Minimierung der abge- gebenen Leistung P muß daher die Enthalpiedifferenz Δh minimiert, möglichst auf Δh = 0 gebracht werden.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur Ti des als Dampf in die HD-Stufe 11 eintretenden Massenstroms m x an der Meßstelle 25 gemessen. Stromabwärts erfolgt eine Temperaturmessung an der Meßstelle 26, wobei an dieser eine Temperatur T2, die Abdampfte peratur der HD-Stufe 11, bestimmt wird. Vorteilhaft wird gleichzeitig der Druckunterschied Δp zwischen den Meßstellen 25, 26 durch geeignete, nicht näher spezifizierte, Druckmesseinrichtungen ermittelt. Die gemessenen Temperaturen Ti, T2 sowie der gemessene Druckunterschied Δp werden einem Regler 27 zugeführt, der die Enthalpiedifferenz Δh zwischen den Meßstellen 25, 26 errechnet. In Abhängigkeit vom Rechenergebnis wird das Ventil 22 angesteuert, so daß der Massenstrom m in Abhängigkeit von der errechneten Enthalpiedifferenz Δh geregelt wird. Diese Bilanz für die HD-Stufe 11 wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Abdampftemperatur T2 durch den Regelkreis 27, der für eine enthalpieabhängige Ventilvertrimmung sorgt, auf einem Wert gehalten wird, der der gedrosselten Frischdampftemperatur entspricht. Durch Drosselung des Dampfmassenstroms m durch das Ventil 22, wird also ein Massenstrom m mit einer entsprechend gedrosselten Temperatur i bereitgestellt und der HD-Stufe 11 zugeführt. Die Drosselwirkung (Drosselef- fekt) des Ventils 22 wird dabei gezielt ausgenutzt, um die gewünschte Temperaturen Tι,T2, einzustellen.
Unter einer Errechnung der Enthalpiedifferenz Δh wird hierbei nicht nur das tatsächliche Errechnen dieser Enthalpiediffe- renz Δh verstanden, sondern auch jedes andere geeignete Vorgehen, mit dem die Enthalpiedifferenz Δh minimiert werden
kann. So kann beispielsweise ein Abgleich mit einer in den Regler 27 einprogrammierten Tabelle erfolgen.
Die Enthalpiedifferenz Δh ist maßgeblich für die von der HD- Stufe erzeugte Leistung P. Der Regler 27 steuert daher über das Ventil 23 den Massenstrom m 3 durch die MD/ND-Stufe 12 entsprechend einer vorgegebenen Leerlauflast und der von der HD-Stufe 11 erzeugten Leistung. Zur Erhöhung der Genauigkeit können stromabwärts der Zwischenüberhitzung oder an anderen geeigneten Positionen weitere Meßstellen zur Erfassung von Temperatur und/oder Druck vorgesehen werden.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der HD-Stufe 11 mit der zugehörigen Regelung des Massenstroms m . Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wird die Enthalpie hi, h2 an den Meßstellen 25, 26 direkt gemessen und anschließend in dem Regler 27 die Enthalpiedifferenz Δh gebildet. Basierend auf der Enthalpiedifferenz Δh werden die Ventile 22, 23 vom Regler 27 angesteuert. Hierdurch wird die von der HD-Stufe 11 erbrachte Leistung P minimiert und gleichzeitig der Massenstrom m 3 durch die MD/ND-Stufe 12 maximiert.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Beaufschlagung der HD-Stufe erfolgt derart, daß möglichst wenig und vorteilhaft gar keine Leistung P abgegeben wird. Das Verfahren ermöglicht eine Beaufschlagung sämtlicher Stufen 11, 12 mit dem jeweils maximal möglichen Massenstrom m , m 3. Hierdurch werden eine gute Vorwärmung aller Stufen 11, 12 und somit kurze Startzeiten erreicht. Ein Überschreiten der Leerlauflast und eine unzu- lässige Erhöhung der Drehzahl der Dampfturbine 10 werden zuverlässig vermieden.