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1. DE000010219948 - Dampfturbine

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine und insbesondere eine Ventilanordnung für die Frischdampfzufuhr in die Dampfturbine.
Stand der Technik
Es sind Dampfturbinen bekannt, bei denen die Frischdampzufuhr durch Düsenregelung mittels einer Regelstufe, auch erste Turbinenstufe genannt, geregelt wird. Eine solche Regelstufe weist beispielsweise verschieden grosse Beaufschlagungs-Sektoren auf, denen der Frischdampf jeweils über einen Frischdampfeinlass mit mehreren Regelventilen zugeführt wird. Als Sicherheitsmassnahme ist den Regelventilen ein Schnellschlussventil vorgeschaltet. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Verkaufsdokumentation der ABB Power Generation, Description No. HTGD N12 018 offenbart.
Diese Dampfturbinen werden typischerweise bei einem Frischdampfdruck betrieben, der durch die Betriebsparameter des Dampferzeugers für alle Betriebslasten der Dampfturbinen fest eingestellt ist. Durch verschiedene Einstellungen der drei oder vier Regelventile kann die Dampfturbine bei einer Mehrzahl von Teillastpunkten betrieben werden sowie auch innerhalb diesen Teillastpunkten zugehörigen Lastbereichen. Hierfür werden die sequentiell betätigbaren Regelventile entweder geschlossen oder vollständig oder geregelt geöffnet.
Weitere bekannte Dampfturbinen werden ohne Regelstufe betrieben. Diese weisen typischerweise einen oder zwei Frischdampfeinlässe auf mit jeweils einem Schnellschlussventil und einem nachgeschalteten Regelventil. Solche Dampfturbinen sind beispielsweise in der Verkaufsdokumentation der ABB Power Generation, Description No. HTGD 666 159 und eine darin angeordnete Ventilanordnung für die Regelung der Frischdampfzufuhr in gleicher Verkaufsdokumentation, Description No. GMDT N06 014 offenbart. Der Frischdampfdruck kann bei diesen Dampfturbinen variabel sein, wie zum Beispiel bei Dampfturbinenanlagen für Gleitdruckbetrieb oder bei Dampfturbinenanlagen, deren Kreislauf mit einer Gasturbinenanlage kombiniert ist.
Bei neueren Dampfturbinenanlagen kann der Frischdampfdruck jedoch auch auf einem einzigen Druckniveau für alle Betriebslasten festgesetzt werden.
Die Ventile in den erwähnten Dampfturbinenanlagen sind vorzugsweise so gestaltet, dass Ventilschwingungen aufgrund einer erhöhten Belastung in Grenzen gehalten werden und eine möglichst lange schadenfreie Betriebsdauer des Ventils gewährt ist.
Bei den Dampfturbinen ohne Regelstufe und insbesondere bei jenen, die bei fest eingestelltem Frischdampfdruck betrieben werden, müssen die Ventile in stets angedrosseltem Betrieb sein, um einen sicheren Teillastbetrieb der Dampfturbine zu ermöglichen. Dadurch sind die Ventile im Vergleich zu den Dampfturbinen mit Regelstufe einer erhöhten Belastung ausgesetzt. Bei Dampfturbinen ohne Regelstufe wird der Druck ausschliesslich über die Ventile abgebaut, während bei Dampfturbinen mit Regelstufe der Druck über das Ventil und die vorgeschaltete Düsen abgebaut wird. Die Schnellschlussventile gewährleisten eine Sicherheit für die Frischdampfzufuhr, können jedoch keine Drosselfunktion übernehmen. Wird eine Dampfturbine bei Festdruck betrieben, können erhöhte Belastungen und kritische Druckverhältnisse in den Regelventilen entstehen, die entsprechend erhöhte Ventilschwingungen und ein vergrössertes Schadenrisiko verursachen. Dies ist insbesondere bei Dampfturbinen ohne Regelstufe und Drosselbetrieb im Teillastbetrieb der Fall.
Darstellung der Erfindung
Angesichts dieser Nachteile der bekannten Ventilanordnungen für die Frischdampfzufuhr, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventilanordnung für die Regelung der Frischdampfzufuhr in eine Dampfturbine zu schaffen, die ein reduziertes Schadenrisiko aufweisen, insbesondere auch beim Abbau von grösseren Drücken.
Diese Aufgabe ist durch eine Ventilanordnung gemäss Anspruch 1 gelöst.
Gemäss der Erfindung weist eine Dampfturbine eine Ventilanordnung zur Regelung der Frischdampfzufuhr auf, die aus zwei Stell- oder Regelventilen besteht, die in Serie geschaltet sind.
Die erfindungsgemässe Ventilanordnung ermöglicht bei Teillastbetrieb einen stufenweisen Abbau des Druckverlusts über die zwei einzelnen Regelventile, das heisst die umgesetzte Energie beim Drosselbetrieb wird auf die zwei oder mehr Regelventile verteilt. Die Belastung eines einzelnen Regelventils ist dadurch im Vergleich zu einer Ventilanordnung mit Schnellschlussventil und nur einem Regelventil stark reduziert. Das Risiko von Ventilschwingungen und darausfolgenden möglichen Ventilschäden ist dadurch reduziert. Die Sicherheitsfunktion eines Schnellschlussventils kann bei der erfindungsgemässen Anordnung durch das erste Regelventil übernommen werden, sodass die durch diese Ventilanordnung gewährte Sicherheit im Vergleich zum Stand der Technik nicht vermindert ist.
Die Ventilanordnung gemäss der Erfindung kann bei Dampfturbinen sowohl mit als auch ohne Regelstufe angewendet werden. Bei Dampfturbinen ohne Regelstufe reduziert sie insbesondere die dort relativ hohen Belastungen der Regelventile.
Weiter ist sie für Dampfturbinen im Festdruckbetrieb sowie im Betrieb mit variablem Frischdampfdruck geeignet. Wiederum ist die erfindungsgemässe Ventilanordnung bei Dampfturbinen ohne Regelstufe und insbesondere bei jenen im Festdruckbetrieb die Reduzierung von belastungsbedingten Ventilschwingungen besonders wirksam.
Vorzugsweise weist die Ventilanordnung Regelventile auf vom Typ eines Rohrventils oder eines entlasteten Einsitzventils mit Vorhub.
Die Ventilanordnung ergibt den Vorteil, dass die Problematik der potentiellen Ventilschwingungen insbesondere bei Dampfturbinen ohne Regelstufe und bei Festdruckbetrieb durch eine einfache Anordnung eines einzigen Ventiltyps und ohne Einbusse der Sicherheit gelöst wird. Weiter ermöglicht sie den Vorteil, indem bekannte Regelventile und Stellantriebe verwendet werden können. Für alle Regel- oder Stellventile werden vorzugsweise derselbe Antrieb eingesetzt.
Es folgen genauere Erläuterungen der Erfindungen anhand der Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen
Fig. 1 ein Schema einer Dampfturbinenanlage, in der die erfindungsgemässe Ventilanordnung zur Regelung der Frischdampfzufuhr eingesetzt wird,
Fig. 2 eine Ventilanordnung gemäss der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten Regelventilen vom Typs eines Rohrventils in einer Eckventilanordnung,
Fig. 3 eine Ventilanordnung gemäss der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten Regelventilen vom Typ eines Vorhubventils in einer Eckventilanordnung.
Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch eine Dampfturbinenanlage mit einem Dampferzeuger 1, der über eine Frischdampfzufuhrleitung 2 mit einer Dampfturbine 3 verbunden ist. Die Dampfturbine 3 ist mit einem Generator G gekoppelt. Der in der Turbine entspannte Dampf wird einem Kondensator 4 zugeführt, wobei dort anfallendes Kondensat dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Anlage wieder zugeführt wird. Die Zufuhrleitung 2 weist eine Ventilanordnung 5 auf zur Regelung des Frischdampfdrucks gemäss einer vorgegebenen Betriebslast. Die Ventilanordnung weist hier in Strömungsrichtung ein erstes Regelventil 6 und ein zweites Regelventil 7 auf, die zueinander in Serie geschaltet sind. Die Regelventile 6 und 7 weisen je einen Stellantrieb 6a bzw. 7a, die mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung 8 verbunden sind. Durch die Regeleinrichtung können die beiden Regelventile in eine vollständige Schliessstellung, eine vollständige Offenstellung oder eine beliebige teilweise Öffnungsstellung gesetzt werden. Insbesondere kann das erste Regelventil 6 kann auch die Funktion eines Schnellschlussventils übernehmen.
Der im Dampferzeuger 1 erzeugte Frischdampf besitzt beim Eintritt in die Ventilanordnung 5 einen Frischdampfdruck P D1, der dort stufenweise über den Zwischendruck P Z auf einen Dampfdruck P D2 abgebaut wird, der einer vollen Betriebslast oder einer vorgegebenen Teillast entspricht.
Die Stellantriebe 6a und 7a können beispielsweise als hydraulischer Antrieb mit elektrohydraulischem Wandler ausgebildet sein. Eingehende elektrische Steilsignale werden dann in entsprechende Hydraulikströme umgewandelt, die entsprechende Stellbewegungen an den Drosselorganen oder Sperrorganen der Regelventile 6 und 7 erzeugen.
Fig. 2 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Ventilanordnung, bei der die Regelventile als Rohrventile ausgestaltet sind. Entsprechend der Fig. 2 können die beiden Regelventile 6 und 7 in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer Baugruppe 20 zusammengefaßt sein, wodurch sich der Installationsaufwand beim Einbau in die Frischdampfzufuhrleitung 2 vereinfacht. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, können die beiden Regelventile 6 und 7 zweckmässig baugleich mit identischen oder ähnlichen Komponenten ausgestaltet sein. Hierdurch kann einerseits die Teilevielfalt reduziert und andererseits durch höhere Stückzahlen der Einzelteilpreis reduziert werden. Bei den beiden Regelventilen 6 und 7 können die Ventilsitze oder Diffusoren 22 gleich oder unterschiedlich gestaltet sein, wodurch die Strömungsquerschnitte der beiden Ventile entweder gleich oder unterschiedlich sind.
Beide Regelventile 6 und 7 sind hier als Einsitz-Eckventile ohne Vorhub in der Bauart von Rohrventilen ausgestaltet, die quer zum Ventilhub angeströmt werden, während die Abströmrichtung entgegen der Ventilhubrichtung verläuft. Um diese Anströmung und Abströmung mit 90°-Umlenkung in beiden Regelventilen 6 und 7 realisieren zu können, sind die beiden Regelventile 6 und 7 bei der hier dargestellten Baugruppe 20 zueinander um 90° gedreht angeordnet. Dementsprechend enthält jedes Regelventil 6 einen Ventilkörper 21, der in seiner Schliessstellung mit einem Ventilsitz 22 zusammenwirkt. In Fig. 2 ist für jeden Ventilkörper 21 bezüglich einer senkrecht auf der Zeichnungsebene stehenden Symmetrieebene 23 die eine Ventilkörperhälfte in der Schliessstellung des Ventilkörpers 21 und die andere Ventilkörperhälfte in der maximal geöffneten Offenstellung des Ventilkörpers 21 dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Ventilanordnung. Hier ist sie durch entlastete Einsitzventile mit Vorhub in einer Eckventilanordnung ausgestaltet. Ähnlich der Fig. 2 sind die beiden Regelventile 6 und 7 um 90° zueinander gedreht. Wiederum enthält jedes Regelventil 6 einen Ventilkörper 24, der in seiner Schliessstellung mit einem Ventilsitz 25 zusammenwirkt. Für jeden Ventilkörper 24 auf der Zeichnungsebene stehenden Symmetrieebene 26 ist die eine Ventilkörperhälfte in der Schliessstellung des Ventilkörpers 24 und die andere Ventilkörperhälfte in der maximal geöffneten Offenstellung des Ventilkörpers 24 dargestellt.
Die erfindungsgemäss Ventilanordnung wird folgendermassen betrieben:
An der Eingangsseite des ersten Regelventils 6 liegt der vom Dampferzeuger eingestellte Frischdampfdruck P D1 an. Dieser Druck kann entweder ein fest vorbestimmter Druck oder auch ein durch entsprechende Massnahmen in der Kesselanlage variabel vorbestimmter Druck sein. Die Dampfturbine 3 erhält einen Arbeitsdruck P D2, der mit dem Betriebszustand der Dampfturbine 3 variiert. Mit Hilfe der Ventilanordnung 5 wird nun der eingangsseitig anliegende Frischdampfdruck P D1 auf den aktuellen Arbeitsdruck P D2 gedrosselt. Erfindungsgemäss erfolgt dies in zwei Stufen, wobei die Erfindung für die erste Stufe zwei verschiedene Verfahren umfasst:
Gemäss dem ersten Verfahren drosselt das erste Regelventil 6 den Frischdampfdruck P D1 auf einen Zwischendruck P Z, wobei diese Drosselung gesteuert erfolgt. Hierzu wird beispielsweise das Regelventil 6 auf eine Ventilhubstelle eingestellt. Der resultierende Zwischendruck ist dann je nach dem Frischdampfdruck P D1 variabel. Zweckmässig ist dieser Zwischendruck P Z stets etwas höher als der maximal von der Dampfturbine 3 benötigte Arbeitsdruck P D2.
Gemäss dem zweiten Verfahren wird der variable Frischdampfdruck P D2 mittels dem Regelventil 6 auf einen lastabhängigen Zwischendruck P Z geregelt. Die Betätigung des ersten Regelventils 6 ist zum Beispiel durch einen Regelkreis realisiert, dessen Führungsgrösse zweckmäßig durch den lastabhängigen Zwischendruck P Z gebildet ist. Hierzu werden Regelabweichungen durch einen Soll-Ist-Vergleich der Werte des Zwischendrucks P Z ermittelt und durch geeignete Regelbefehle kompensiert.
Bei beiden Verfahren drosselt nun das zweite Regelventil 7 vom Zwischendruck P Z auf den Arbeitsdruck P D2, wobei diese Drosselung nur geregelt erfolgt. Ein Regelkreis für die Betätigung des zweiten Regelventils 7 enthält als Führungsgrössen beispielsweise die Leistung der Dampfturbine oder die Drehzahl des Rotors der Maschine. Der Arbeitsdruck P D2 stellt sich entsprechend dieser Führungsgrössen ein. Das bedeutet, dass Regelabweichungen, die durch einen Soll-Ist-Vergleich der Werte des Arbeitsdrucks P D2 oder der Führungsgrössen, nach denen sich der Arbeitsdruck einstellt, durch geeignete Regelbefehle kompensiert werden.
Somit kommt die Ventilanordnung 5 bei der Erfindung mit zwei einfach aufgebauten Regelkreisen aus. Durch diesen Aufbau wird der Aufwand für die Regelung und/oder Steuerung der Ventilanordnung 5 reduziert. Ferner ergibt sich gleichzeitig eine erhöhte Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, die durch die reduzierte Beanspruchung der Ventile bedingt ist. Darüber hinaus hat die zweistufige Drosselung zur Folge, daß die maximal an den Regelventilen 6 und 7 einzeln anliegenden Druckdifferenzen deutlich kleiner sind als die Druckdifferenz zwischen Frischdampfdruck P D1 und Arbeitsdruck P D2, was die reduzierte Beanspruchung der Regelventile 6 und 7 bewirkt. Insbesondere können Vibrationen, Schwingungsanregungen und Geräuschentwicklungen reduziert oder gänzlich vermieden werden.
Bezugszeichenliste
1 Dampferzeuger
2 Frischdampfzufuhrleitung
3 Dampfturbine
4 Kondensator
5 Ventilanordnung
6 Erstes Regelventil
7 Zweites Regelventil
6a Stellantrieb
7a Stellantrieb
8 Reglereinrichtung
G Generator
20 Baugruppe
21 Ventilkörper
22 Ventilsitz
23 Symmetrieebene
24 Ventilkörper
25 Ventilsitz
26 Symmetrieebene