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Dokumentenidentifikation DE3782314T2 22.04.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0268423
Titel Sperrdamppfsystem für eine Dampfturbine.
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP;
Hitachi Engineering Co., Ltd., Hitachi, Ibaraki, JP
Erfinder Yanai, Eiji, Iwaki-shi Fukushima-ken, JP;
Hashimoto, Tsuguo, Hitachi-shi Ibaraki-ken, JP;
Takeuchi, Kiyoshi, Higashiibaraki-gun Ibaraki-ken, JP;
Asao, Takashi;
Noguchi, Yoshiki, Hitachi-shi Ibaraki-ken, JP
Vertreter Strehl, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.; Schübel-Hopf, U., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Groening, H., Dipl.-Ing., 8000 München; Lang, G., Dipl.-Phys., 8112 Bad Kohlgrub; Rasch, M., Dipl.-Ing. Univ., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3782314
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.11.1987
EP-Aktenzeichen 873099899
EP-Offenlegungsdatum 25.05.1988
EP date of grant 21.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.04.1993
IPC-Hauptklasse F01D 11/06

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft ein Sperrdampfsystem für Dampfturbinen und insbesondere ein Sperrdampfsystem für Dampfturbinen, das in geeigneter Weise für eine Dampfturbine in einer Anlage mit kombiniertem Zyklus verwendet wird.

In einer Dampfturbine wird der Austritt des die Turbine antreibenden Dampfes zur Außenseite dadurch verhindert, daß man Sperrdampf einem Stopfbüchsenabschnitt der Turbine zuführt oder den aus dem Stopfbüchsenabschnitt austretenden Dampf der Wärmerückgewinnung zuführt, um hierbei den Betriebs-Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern. Die Zufuhr des Dampfes zum Stopfbüchsenabschnitt oder die Rückgewinnung des austretenden Dampfes hiervon wird durch einen Dampfdruckregler gesteuert, der so vorgesehen ist, daß er mit einem Hochdruck-Primärdampf-Entnahmerohr verbunden ist, das von einem Hochdruck-Primärdampfrohr abzweigt, durch welches der die Turbine antreibende Dampf zugeführt wird, wobei ein Rohr für den Hochdruck-Sperrdampf mit einem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt der Turbine verbunden ist, und wobei ein Rohr für Niederdruck-Sperrdampf mit einem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt der Turbine verbunden ist. Während eines anfänglichen Zeitraums des Betriebes einer Dampfturbine trachtet der Dampf danach, dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt zugeführt zu werden, und im Hauptabschnitt des Betriebes der Turbine trachtet der Dampf danach, aus der Turbine auszulecken. Der Druck dieses Leckagedampfes wird vom Dampfdruckregler reguliert, und der resultierende Dampf wird einem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt durch das Rohr für den Niederdruck-Sperrdampf zugeführt. Wenn der aus dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt austretende Dampf nicht als ausreichender Niederdruck-Sperrdampf dient, wird ergänzender Dampf verwendet, der von dem Hochdruck-Primärdampfrohr in den Dampfdruckregler durch das Hochdruck-Dampf-Entnahmerohr eingeleitet wird. Wenn der abdichtende Dampf im Niederdruck- Stopfbüchsenabschnitt mehr als ausreichend ist, dann wird der überschüssige Dampf in einen Kondensator durch ein zusätzlich vorgesehenes Ablaßrohr abgeleitet, das sich vom Druckregler aus erstreckt.

Die typischen Beispiele der Dampfbedingungen für die verschiedenartigen Abschnitte des Systems werden nun unter Bezugnahme auf eine Anlage mit kombiniertem Zyklus beschrieben, die als ein Beispiel herangezogen wird. Der einströmende, die Turbine antreibende Dampf weist etwa 57(ata) und 480(ºC) während des Nennbetriebes auf, während der dichtende Dampf, der dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt durch den Druckregler zugeführt wird, etwa 1,3(ata) und 450(ºC) aufweist. Der durch Regulieren des Leckagedampfes aus dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt durch den Druckregler gewonnene und aus dem Rohr für den Niederdruck-Stopfbüchsen-Dichtungsdampf abgelassene Dampf weist ebenfalls Dampfbedingungen auf, die im wesentlichen identisch sind mit jenen für den oben erwähnten Dichtungsdampf. Die Bedingungen für den Dampf, der dem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt zugeführt wird, werden in Abhängigkeit von jenen für den Turbinen- Antriebsdampf bestimmt, der von der Turbine abgegeben wird, und müssen 1,3(ata) und 110 bis 140(ºC) aufweisen. Wie aus dem Obigen deutlich wird, ist es lediglich notwendig, den Druck auf der Seite des Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitts zu steuern, aber es ist notwendig, auch ferner die Temperatur auf der Seite des Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitts zu regulieren. Der Dampf, der als Dichtungsdampf für den Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt dem Dampfdruckregler zugeführt wird, hat eine ausreichend hohe Temperatur, daß das Einleiten dieses Dampfes, so wie er ist, in den Niederdruck- Stopfbüchsenabschnitt eine Zunahme in den Materialwerten, wie etwa der Wärmespannung und der differentiellen Expansion eines Turbinenläufers, verursacht, d.h. nicht bevorzugbare Ergebnisse erzeugt. Deshalb werden Verfahren zum Verringern der Temperatur eines solchen Niederdruck-Sperrdampfes verwendet, die in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 14805/1981 offenbart sind und die ein Verfahren umfassen, um ein Rohr für den Niederdruck-Sperrdampf mit einem Primär-Abgasstrom aus der Turbine zu kühlen, bevor der Dampf dem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt zugeführt wird, oder ein Verfahren, ein solches Rohr mit Kondensat aus einem Heißdampfkühler zu kühlen, der für diesen Zweck vorgesehen ist.

Die DE-A-1 401 440 offenbart die Zufuhr des expandierten Hochdruckdampfes zur Stopfbüchsendichtung einer Mitteldruckturbine, wobei die Zufuhr durch ein Ventil in Abhängigkeit vom Druck in der ersten Stufe des Mitteldruckteils der Turbine reguliert wird.

Obwohl diese Methoden in geeigneter Weise für eine übliche wärmekrafterzeugende Turbinenanlage benutzt werden, sind sie nicht geeignet für eine Turbinenanlage für eine Anlage mit kombiniertem Zyklus. Beispielsweise wird bei der erstgenannten Methode der Abkühlung des Niederdruck-Sperrdampfes mit einem Abgasstrom aus der Turbine das Rohr für Niederdruck- Sperrdampf umgeleitet, so daß es eine Rohrschleife in einer Lage bildet, in welcher die Rohrschleife dem Primär-Abgasstrom von einer Laufschaufel in der Dampfturbine zugewandt ist, um die Kühlwirkung zu verbessern. Der mit dem Primär- Abgasstrom gekühlte Sperrdampf wird in den Niederdruck- Stopfbüchsenabschnitt durch das Rohr für den Niederdruck- Sperrdampf eingeleitet. Bei dieser Methode ist jedoch die Rohrschleife in einem Strömungskanal für den Primär-Abgasstrom aus der Turbine zu dem Zweck vorgesehen, die Kühlungswirkung zu verbessern, so daß der Arbeits-Wirkungsgrad notwendigerweise abnimmt. Insbesondere in einer Verbund-Generatoranlage, die aus einer Gasturbine und einer Dampfturbine besteht, die die Abwärme aus der Gasturbine als Wärmequelle benutzt, ist die Kapazität des Dampfturbinenzykus gering. Es wird demzufolge schwierig, einen Raum zum Anbringen der Rohrschleife im Gas-Abgabeabschnitt der Dampfturbine sicherzustellen, und die Anbringung der Schleife 13 in diesem Abschnitt der Dampfturbine veranlaßt es, daß der Wirkungsgrad noch weiter abnimmt. Bei der letztgenannten Methode der Abkühlung des Niederdruck-Sperrdampfes durch Benutzung eines zusätzlich vorgesehenen Kühlers wird die Kühlung des Sperrdampfes von einem Kühler vorgenommen, der zusätzlich in einem Mittelabschnitt eines Rohres für den Niederdruck- Sperrdampf vorgesehen ist.

Das Kondensat in einem Sperrdampfkondensator, der mit der Auslaßöffnung einer verdichtenden Pumpe verbunden ist, wird am Auslaß des Kondensators abgezweigt und einem Kühler durch ein Kühlwasser-Zufuhrrohr zugeführt, wobei dieses Kondensat als Kühlwasser verwendet wird. Das verwendete Kühlwasser wird zum Kondensator durch ein Kühlwasser-Rückführrohr zurückgeführt. Bei dieser Methode ist der Kühler unabhängig von der äußeren oder inneren Seite des Kondensators vorgesehen. Es ist deshalb notwendig, daß der Konstruktion und Herstellung des Kühlers als ein Druckgefäß eingehende Beachtung geschenkt wird. Außerdem gibt die Sicherstellung des Raumes zum Anbringen des Kühlers Anlaß zu einigen Problemen. Insbesondere in einer Verbund-Generatoranlage, die aus mehreren Einheiten besteht, ist eine Vielzahl von Kühlern und Rohren erforderlich, so daß die Herstellungskosten zunehmen.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Tatsachen entwickelt. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes, wenig aufwendiges Sperrdampf-Zufuhrsystem vorzusehen, das imstande ist, Sperrdampf zuzuführen, wobei die Möglichkeit einer Abnahme im Turbinen-Wirkungsgrad verringert ist oder gar nicht besteht.

Die vorliegende Erfindung kann bei einer Turbinenanlage angewandt werden, die zum Turbinenantrieb Hochdruckdampf aufweist, wie auch bei einer Turbinenanlage, die Niederdruckdampf hat, und ist mit einer Einrichtung versehen, um den Druck des Niederdruck-Primärdampfes zu mindern, sowie einem Rohr zur Verwendung bei der Zufuhr des Niederdruck- Primärdampfes, der während seiner Druckminderung gekühlt wird, zu einem Niederdruck-Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt.

Die Temperatur und der Druck dieses Niederdruck-Primärdampfes sind nicht viel höher als die Niveaus, die als Niveaus der Temperatur und des Druckes des Dampfes geeignet sind, der als Niederdruck-Sperrdampf verwendet wird. Es ist dementsprechend einfach, den Niederdruck-Primärdampf bis auf ein Niveau zu entspannen, das den Bedingungen für den Niederdruck-Sperrdampf genügt, und außerdem fällt die Temperatur des Dampfes ab, wenn der Dampf entspannt wird. Aus diesen Gründen wird der Dampf, der durch Entnehmen des Niederdruck-Prkmärdampfes gewonnen wird, und die Druckminderung des resultierenden Dampfes optimal als Niederdruck-Sperrdampf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, worin der Niederdruck-Primärdampf durch ein Reduzierventil abgekühlt wird und als Niederdruck-Sperrdampf benutzt wird;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Anlage mit kombiniertem Zyklus;

Fig. 3 ist ein Diagramm zum Beschreiben der druckmindernden Wirkung, die auf dem isoenthalpischen Effekt beruht;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Temperaturen des Hochdruck-Primärdampfes und des Niederdruck-Primärdampfes im Hinblick auf eine Gasturbinenbelastung zeigt, sowie die Temperaturcharakteristiken des Dampfes, die bestimmt wurden, nachdem der Druck des Dampfes und die Belastung der Gasturbine gemindert wurden;

Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Anlage, worin eine Vielzahl von Anlagen mit kombiniertem Zyklus parallel zueinander vorgesehen sind, um wechselweise Dampf zuzuführen; und

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer anderen Art einer Anlage mit kombiniertem Zyklus.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels:

Bevor ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, wird der grobe Aufbau einer Anlage mit kombiniertem Zyklus als ein Beispiel einer geeigneten Anlage beschrieben, in welcher der Hochdruckdampf und der Niederdruckdampf erhalten werden können.

Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen; das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Gasturbine, deren Verbrennungsabgas noch immer eine beträchtliche Wärmemenge enthält, die von einem Abwärme-Rückgewinnungskessel 50 zurückgewonnen wird, und dann aus einem Kamin 100 abgegeben wird. In diesem Abwärme-Rückgewinnungskessel 50 wird das Zuwasser aus einem Kondensator 10 in einem Niederdruck-Vorwärmer bzw. -Economizer 501 und einem Niederdruck-Verdampfer 502 erwärmt, um Niederdruckdampf in einem Niederdruck-Dampfrohr 19 zu halten. Das im Niederdruck-Vorwärmer 501 erwärmte Wasser wird durch eine Pumpe 506 einem Hochdrucksystem zugeführt. Das Hochdrucksystem besteht aus einem Hochdruck-Vorwärmer 503, einem Hochdruck-Verdampfer 504 und einem Hochdruck-Überhitzer 505, und es wird in einem Hochdruck-Primärdampfrohr 7 Hochdruck-Primärdampf erhalten. Der Grund, warum zwei Systeme vorgesehen sind, d.h. das Hochdruck- und das Niederdrucksystem, liegt darin, daß dann, wenn zwei Systeme vorgesehen sind, der Wärme-Wirkungsgrad höher wird, als wenn das Hochdrucksystem alleine vorgesehen ist. Diese Zeichnung zeigt ein Beispiel einer Mischdruckturbine, in welcher der Hochdruckdampf 7 und der Niederdruckdampf 19 in einer Turbine benutzt werden. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Hochdruckturbine, 2 eine Niederdruckturbine und 40 einen Generator. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Turbine, die Hochdruckdampf und Niederdruckdampf benutzt, der erhalten wird, wie in Fig 2 gezeigt, und ein System, das sich rund um einen Kondensator erstreckt.

In einer Mischdruck-Dampfturbinenanlage, die in Fig. 1 gezeigt ist und Hochdruck-Primärdampf mit hoher Temperatur und Niederdruck-Primärdampf mit niederer Temperatur aufweist, strömt der Hochdruck-Primärdampf zuerst in die Hochdruck- Dampfturbine 1 durch ein Hochdruck-Primärdampfrohr 7. Dieser Dampf arbeitet sich aufeinanderfolgend ab, wenn er zu einer Niederdruck-Dampfturbine 2 strömt. Der Niederdruck-Primärdampf strömt aus einem Einlaß der Niederdruck-Dampfturbine 2 durch ein Niederdruck-Primärdampfrohr 19 in diese hinein und wird mit dem Hochdruckdampf gemischt, wobei der gemischte Dampf weitere Arbeit leistet. Schließlich wird dieser Dampf in einen Niederdruckdampf mit Niedertemperatur umgewandelt und wird in einen Kondensator 10 abgeleitet.

Demzufolge wird die Temperatur beim Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5 sehr hoch, und die beim Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 verhältnismäßig niedrig.

Um Sperrdampf zu erhalten, der den Bedingungen entspricht, die zu den Temperaturen des Metalls an diesen Stopfbüchsenabschnitten 5, 6 paßt, wird Hochdruck-Primärdampf an der Hochdruckseite dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5 durch ein Hochdruck-Primärdampf-Entnahmerohr 8, einen Dampfdruckregler 3 und ein Rohr 4 für den Hochdruck-Sperrdampf zugeführt. Der größere Teil des Sperrdampfes wird in einen Sperrdampf-Kondensator 16 durch Sperrdampf-Leckagerohre 20, 22 auf eine solche Weise eingeleitet, daß der Dampf nicht aus der Turbinenanlage zur Außenseite hin austritt. In diesem Kondensator 16 wird der Stopfbüchsen-Leckagedampf der Wärmerückgewinnung durch das Kondensat unterzogen, das aus dem Kondensator 10 durch eine Kondensatpumpe 15 herausgepumpt wird, um den Dampf in Drainage umzuwandeln, die dann vom Kondensator 10 durch ein Stopfbüchsen-Leckage-Ablaufrohr 23 zurückgewonnen wird. Der Restdampf im Druckregler 3 wird vom Kondensator 10 durch ein Abgaberohr 9 rückgewonnen, das an den Druckregler angefügt ist. Dieses Dampfzufuhrsystem unterscheidet sich von einem herkömmlichen Dampfzufuhrsystem dieser Art dadurch, daß die Systeme zur Sperrdampfzufuhr und zur Leckagedampf-Rückgewinnung für den Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5 nicht dazu eingerichtet sind, den Dampf, der vom Druckregler 3 reguliert wurde, dem Niederdruck-Sperrbüchsenabschnitt 6 zuzuführen.

Das Obige ist eine Beschreibung des Flusses des Sperr- und Leckagedampfes bei dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5. Beim Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 ist das Niveau der Temperatur äußerst niedrig, verglichen mit jenem der Temperatur am entsprechenden Abschnitt der Hochdruck-Dampfturbine 1. Deshalb wird der Niederdruck-Primärdampf aus einem Niederdruck-Primärdampfrohr 19 durch ein Niederdruck-Primärdampf-Entnahmerohr 24 entnommen, und dieser Dampf wird durch ein Reduzierventil 25 in seinem Druck auf ein vorbestimmtes Niveau verringert, beispielsweise auf 1,3 ata, und zwar des zuzuführenden Sperrdampfes, wobei der resultierende Dampf dem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 durch ein Rohr 26 für den Niederdruck-Sperrdampf zugeführt wird. Obwohl die Temperatur des Niederdruck-Primärdampfes geringfügig höher ist als ein Grenzniveau der Temperatur des zuzuführenden Sperrdampfes, wird der Dampf, dessen Druck durch das Druckregulierventil 25 auf ein vorbestimmtes Druckniveau des zuzuführenden Sperrdampfes verringert wurde, infolge einer Enthalpieänderung gekühlt. Dementsprechend wird die Temperatur des Dampfes am Sperrbüchsenabschnitt 6 so gesteuert, daß sie innerhalb des erwähnten Grenzniveaus liegt. Im Fall der oben beschriebenen Anlage mit kombiniertem Zyklus betragen die Bedingungen für den Niederdruck-Primärdampf etwa 6(ata) und 160(ºC). Andererseits liegt der Temperaturbereich des Niederdruck-Sperrdampfes, der zur Temperatur des Metalls des Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitts paßt, der vom Abgas erwärmt wird, das aus der Niederdruckturbine 2 zum Kondensator 10 strömt, bei 110 bis 140(ºC). Wenn der Druck am Rohr 21 für den Niederdruck-Sperrdampf von einem Druckfühler 200 ermittelt wird, um den Öffnungsgrad des Reduzierventils 25 durch einen Regler 201 zu steuern, so daß dieser Druck auf ein vorbestimmtes Niveau (beispielsweise 1,3 ata) festgesetzt wird, dann erreicht die Temperatur des Sperrdampfes ein Niveau in einem geeigneten Bereich (110º-140ºC). Somit wird der Niederdruck-Sperrdampf, der vom Reduzierventil 25 erreicht wird, mit einer optimalen Temperatur dem Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 durch das Rohr 26 für den Sperrdampf zugeführt.

Der Leckagedampf, der für die Tätigkeit der Stopfbüchsenabdichtung benutzt wurde, strömt durch das Rohr 21 für den Stopfbüchsen-Leckagedampf und trifft auf den Dampf im Rohr 20 für den Hochdruck-Stopfbüchsen-Leckagedampf, wobei der resultierende Dampf dem Dampfkondensator 16 durch ein Sperrdampf-Leckagedampfrohr 22 zugeführt wird. Dieser Dampf wird dann der Wärmerückgewinnung durch das Kondensat unterzogen, das aus dem Kondensator 10 von der Kondensatpumpe 15 gepumpt wird, um sich in ein Abwasser umzuwandeln, was dann wiederum vom Kondensator 10 rückgewonnen wird.

Wie oben beschrieben, tritt die Temperatur beim Niederdruck- Primärdampf in den zulässigen Temperaturbereich für den Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 dadurch ein, daß der Niederdruckdampf durch das Reduzierventil in seinem Druck gemindert wird. Dies wird nun im einzelnen beschrieben.

Fig. 3 ist eine bekannte Dampftafel, in der die Entropie i und die Enthalpie s in den Richtungen der Seitenachse bzw. der Längsachse aufgetragen sind. Auf dieses Diagramm wird nun Bezug genommen; das Bezugszeichen s bezeichnet eine Sättigungslinie, wobei der Bereich unter dieser Linie ein Naßdampfbereich und der Bereich über derselben Linie ein Sättigungsbereich ist. Die Bezugsbuchstaben P, T bezeichnen eine Linie konstanten Drucks bzw. eine Linie konstanter Temperatur, die Linien P&sub1;, P&sub2;, P&sub3; Linien konstanten Drucks von 57 ata, 6 ata bzw. 1,3 ata, und T&sub1;, T&sub2; Linien konstanter Temperaturen von 480ºC bzw. 160ºC. Dementsprechend ist der Wert der Dampfbedingungen für den Hochdruck-Primärdampf an einem Schnittpunkt HA von P&sub1; und T&sub1; in dieser Zeichnung angeordnet, und der Wert der Dampfbedingungen für den Niederdruck- Primärdampf, der aus Sattdampf besteht, am Schnitt LA von P&sub2; und T&sub2;. Im allgemeinen hat der Dampf die Charakteristiken (isoenthalpische Änderung), daß, wenn der Druck das Dampfes gemindert ist, die Temperatur allein abfällt, während die Enthalpie konstant gehalten wird. Wenn der Dampfdruck vom Druckregler 3 gemindert wird, wie in Fig. 1 gezeigt, dann wird der Wert der Bedingungen für den Hochdruck-Primärdampf auf einem Punkt HB mit 1,3 ata in Fig. 3 infolge der isoenthalpischen Änderung angeordnet, wobei dieser Punkt HB dadurch bestimmt wird, daß man den Punkt HA parallel zur Seitenachse der Tafel bewegt, und die Temperatur sinkt um ΔT&sub1;. ΔT&sub1; stellt etwa 30ºC dar. In ähnlicher Weise werden, wenn der Dampfdruck durch Verwendung des Reduzierventils 25 gesenkt wird, die Dampfbedingungen, die durch den Punkt LA dargestellt sind, auf solche geändert, die durch den Punkt LB dargestellt sind, und ein Temperaturabfall ΔT&sub2; findet statt. ΔT&sub2; stellt etwa 20ºC dar, und Sperrdampf mit etwa 140ºC wird erhalten.

Die obige Feststellung unter Bezugnahme auf Fig. 3 zeigt an, daß die Bedingungen für den Dampf während eines rechnerischen Betriebes infolge einer isoenthalpischen Änderung reduziert werden. Die praktische Dampftemperatur ändert sich in Abhängigkeit von der Größe der Last, so daß die Temperatur des Sperrdampfes sich ebenfalls entsprechend ändert. Fig. 4 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Änderungen des Hochdruck-Primärdampfes und des Niederdruck-Primärdampfes im Hinblick auf eine Gasturbinenlast zeigt (in Richtung der Seitenachse aufgetragen). Wenn die Gasturbinenlast von 100% auf etwa 80% abnimmt, dann nimmt die Temperatur des Abgases zeitweise infolge der Betriebsregelcharakteristiken der Gasturbine zu, so daß die Temperatur h des Hochdruck- Primärdampfes in Übereinstimmung mit der Zunahme der Temperatur des Abgases zunimmt. Wenn die Gasturbinenlast im Bereich von nicht mehr als 80% liegt, dann nimmt die Temperatur h des Hochdruck-Primärdampfes allmählich ab, wenn die Gasturbinenlast abnimmt. Die Änderungen der Temperatur l des Niederdruck-Primärdampfes im Hinblick auf die Gasturbinenlast sind sehr klein und äußerst stabil, verglichen mit den Änderungen der Temperatur des Hochdruck-Primärdampfes.

Die Charakteristiken der Temperatur, die erhalten wird, durch Druckminderung des Hochdruck-Primärdampfes, der als Speisequelle für den Hochdruck-Sperrdampf benutzt wird, auf einen vorbestimmten Druck (1,3 ata) des Sperrdampfes, der zuzuführen ist, sind durch h' gezeigt. Diese Temperatur ist eine Temperatur des zuzuführenden Sperrdampfes, die zur Gasturbinenlast paßt. Allerdings sind, wie bereits oben vermerkt, weil der Dampf in der Turbine danach trachtet, aus dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt während des Betriebs der Turbinenanlage auszulecken, die Charakteristiken der Temperatur am Stopfbüchsenabschnitt 5 geringfügig unterschiedlich gegenüber jenen, die durch h' gezeigt sind. Die Differenz zwischen den Charakteristiken h, h' in dieser Zeichnung entspricht ΔT&sub1; in Fig. 3. Die Charakteristiken h, h' in Fig. 4 zeigen die Zuordnung zwischen der Temperatur und der Turbinenlast während des Betriebs der Turbinenanlage mit einer vorbestimmten Last. Die Zuordnung zwischen der Temperatur des Hochdruck-Primärdampfes und jener des Sperrdampfes in einer Anlaufphase, in welcher die Bedingungen für den Hochdruckdampf nicht hergestellt sind, kann unter Bezug auf die Charakteristiken h, h' nicht erläutert werden. In einer Warm-Anlauf-Betriebsart muß allerdings der Dampf in dem Temperaturbereich (etwa 290º-340ºC) von H in der Zeichnung dem Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5 zugeführt werden, und in einer Kalt-Anlauf-Betriebsart muß der Dampf im Temperaturbereich (etwa 150º-260ºC) von C in der Zeichnung dorthin zugeführt werden.

Die Temperaturcharakteristiken des Dampfes (d.h. des Dampfes, der erhalten wird durch Druckminderung des Niederdruck-Primärdampfes auf einen vorbestimmten Druck durch ein Reduzierventil), der zur Abdichtung des Niederdruck-Sperrbüchsenabschnitts zuzuführen ist, sind gezeigt durch l'. Die Temperaturen, die durch diese charakteristische Kurve gezeigt sind, liegen innerhalb des Bereiches L (etwa 1100º- 140ºC) zulässiger Temperaturen am Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 in allen Bereichen der Gasturbinenlast. Da außerdem die Breite der Änderungen der Dampftemperatur gering und stabil ist, findet keine plötzliche Wärmespannung im Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 statt. Der Bereich L der zulässigen Temperatur beim Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 ändert sich im Anlaufbetrieb nicht, anders als die Bereiche H, C der zulässigen Temperatur am Hochdruck-Stopfbüchsenabschnitt 5. Die Temperatur am Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 kann stets so gesteuert werden, daß sie über die ganze Anlaufphase hinweg in diesem Bereich liegt. Fig. 4 zeigt, daß die Temperatur beim Niederdruck-Stopfbüchsenabschnitt 6 so gesteuert werden kann, daß sie im Bereich L der zulässigen Temperatur in allen Bereichen der Turbinenlast während des Betriebs der Turbinenanlage liegt. Da das untere Grenzniveau der zulässigen Temperatur in einer Anlaufphase so niedrig wie etwa 110ºC ist, ist die Zeit, während welcher die Temperatur des Niederdruck-Primärdampfes bis zu diesem Niveau angestiegen ist, um es zu ermöglichen, daß der Dampf als Niederdruck-Sperrdampf benutzt wird, äußerst kurz, so daß der Sperrdampf in einer Anfangsphase des Anlaufbetriebes sichergestellt sein kann.

Der Hochdruck-Primärdampf besteht aus überhitztem Dampf, während der Niederdruck-Primärdampf aus Sattdampf besteht, welcher sich in Abwasser verwandelt, wenn er gekühlt wird. Der Eintritt keinerlei Abwassers beim Stopfbüchsenabschnitt der Turbine ist ermöglicht. Mancher mag sich fragen, ob diese Tatsachen die Nachteile des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, aber hier ist nichts zu befürchten. Der Grund liegt darin, daß, während der Dampf durch das Reduzierventil bis auf einen Druck entspannt wird, bei welchem der Dampf dem Stopfbüchsenabschnitt der Turbine zugeführt wird, der Dampf infolge seiner Charakteristiken in einen Überhitzungsbereich und eine isoenthalpische Änderung eintritt, die in Fig. 3 gezeigt ist (aber seine Temperatur nimmt ab). Deshalb erhält der Dampf gegensätzliche Charakteristiken, d.h., es wird schwierig, ihn in Abwasser umzuwandeln.

Somit kann das Sperrdampf-Zufuhrsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ohne jegliche Schwierigkeit betrieben werden. Es ist insbesondere möglich, daß die Lebenszeit und Zuverlässigkeit des Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitts der Niederdruckturbine in hohem Umfang dank der Techniken zum Verringern der Wärmespannungen verbessert werden kann.

Oben sind die Probleme beschrieben, die die Abdichtung des Dampfes und dessen Leckage aus dem Stopfbüchsenabschnitt der Turbine hauptsächlich im Normalbetrieb betreffen. Probleme zum Zeitpunkt des Anlaufs der Turbinenanlage werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 6 zeigt die parallelen Anordnungen einer Vielzahl von Einheiten von Verbund-Generatoranlagen, von denen jede aus der Verbund-Generatoranlage der Fig. 2 besteht.

Die Probleme zum Zeitpunkt des Anlaufs der Turbinenanlage sind folgende:

(1) Der Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt der Dampfturbine befindet sich in einem abgekühlten Zustand, verglichen mit dem Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt während eines Normalbetriebs der Turbinenanlage.

(2) Da die Gasturbine im Stillstand belassen wird, sind die Bedingungen für den Primärdampfabschnitt, die Sperrdampf-Zufuhrquelle, unbefriedigend (verglichen mit jenen, wenn der Betrieb der Turbinenanlage fortfährt).

Das Problem des kalten Stopfbüchsen-Abdichtungsabschnitts ist das folgende:

Im allgemeinen umfassen die typischen Anlauf-Betriebsarten eine heiße Anlauf-Betriebsart (in welcher die Turbineneinheit gestartet wird, nachdem sie 8 Stunden lang angehalten wurde), eine warme Anlauf-Betriebsart (in welcher die Turbineneinheit gestartet wird, nachdem sie 32 Stunden lang angehalten wurde) und eine kalte Anlauf-Betriebsart (in welcher die Turbineneinheit gestartet wird, nachdem sie für nicht weniger als 1 Woche angehalten wurde), welche in Abhängigkeit von der Stundenzahl, während welcher die Turbineneinheit angehalten wurde, unterschiedlich bezeichnet werden. Die Turbine und der Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt trachten danach, in der warmen Anlauf-Betriebsart mehr gekühlt zu werden als in der heißen Anlauf-Betriebsart, und noch mehr in der kalten Anlauf-Betriebsart als in der warmen Anlauf- Betriebsart. Ein Beispiel der Turbinenanlage, die in der heißen und kalten Anlauf-Betriebsart betrieben wird, wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 beschrieben.

Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen; der Bezugsbuchstabe H stellt die Toleranz der Temperatur des Dampfes dar, der dem Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt der Hochdruck-Dampfturbine in einer heißen Anlauf-Betriebsart zuzuführen ist, und C die Toleranz einer solchen Temperatur in einer kalten Anlauf- Betriebsart.

Die zulässige Temperatur des dem Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt der Niederdruck-Dampfturbine zuzuführenden Dampfes liegt in einem vorbestimmten Bereich, der bezeichnet ist durch L, und ist in jedem Fall niedrig, ungeachtet der Betriebsart der Gasturbine.

Die Zufuhr des Dampfes zum Stopfbüchsen-Dichtungsabschnitt der Hochdruck-Dampfturbine wird auf dieselbe Weise wie bei einer Turbinenanlage dieser Art aus dem Stand der Technik vorgenommen, und die Beschreibung hiervon wird weggelassen.

Wie oben in Bezug auf das Problem (1) beschrieben wurde, erhält der Sperrdampf für den Stopfbüchsenabschnitt der Niederdruck-Dampfturbine in der vorliegenden Erfindung eine zulässige Temperatur in befriedigender Weise in allen Lastbereichen der Gasturbine, und es ist in keiner Weise erforderlich, den Temperaturänderungen im Hinblick auf deren Anlauf-Betriebsart Beachtung zu schenken.

Was das obige Problem (2) angeht, daß die Bedingungen für den Primärdampf unbefriedigend sind, so genügt für jeden Primärdampf eine Sperrdampf-Zufuhrquelle nicht einmal den Bedingungen, die in Fig. 5 gezeigt sind, wie vorher bei der Gasturbinen-Anlaufzeit erwähnt. Um diesen Nachteil zu verhindern, können die Hochdruck-Primärdampfrohre durch ein gemeinsames Ausgleichs-Hochdruck-Dampfrohr Ah zusammengefügt werden, und ein gemeinsames Ausgleichs-Niederdruck-Dampfrohr für den Stopfbüchsen-Leckage-Niederdruck-Primärdampf kann vorgesehen sein, so daß der Dampf in jeder Einheit zusammengeführt wird, wobei das gemeinsame Niederdruck-Dampfrohr mit den Niederdruck-Primärdampfrohren Al verbunden ist.

Diese Dampfrohre werden unter weniger schweren Bedingungen benutzt, welche eine sehr niedrige Temperatur und sehr niedrigen Druck umfassen, als die Hochdruck-Dampfrohre, so daß sie bei ihrer Konstruktion und Herstellung keinen Anlaß zu Problemen geben.

Es kann schließlich erwähnt weren, daß der Betriebs-Wirkungsgrad der Turbinenanlage, die die vorliegende Erfindung benutzt, worin der leicht erreichbare Dampf mit niedriger Qualität benutzt wird, dazu neigt, noch verbessert zu werden, verglichen mit jenem einer herkömmlichen Turbinenanlage, in welcher der Hochdruck-Primärdampf gekühlt und dann der Verwendung zugeführt wird.

Bei der obigen Erklärung ist eine Anlage mit kombiniertem Zyklus als ein Beispiel einer Anlage herangezogen, die auch mit Niederdruckdampf versehen ist, und die Bedingungen für den Hochdruckdampf und den Niederdruckdampf sind auf typische Beispiele begrenzt. Eine Anlage, bei der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, kann jeden Aufbau aufweisen, solange sie imstande ist, Niederdruckdampf zuzuführen, und eine solche Anlage mit geeigneten Dampfbedingungen kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung erhalten. Bei der obigen Erklärung wird eine Mischdruckturbine als Beispiel herangezogen. Eine Turbine beliebigen Typs kann natürlich auch verwendet werden. Beispielsweise ist die Turbinenanlage, die in Fig. 6 gezeigt ist, jener Art, bei welcher die Hochdruckturbine 1 und die Niederdruckturbine 2 voneinander getrennt sind. Bei dieser Turbinenanlage ist der Stopfbüchsenabschnitt 5 der Hochdruckturbine 1 an den Druckregler 3 angefügt, und Dampf wird aus dem Reduzierventil 25 dem Stopfbüchsenabschnitt 6 der Niederdruckturbine 2 zugeführt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Weglassung des Kühlers für den Sperrdampf für die Niederdruck-Dampfturbine es der Turbinenanlage, wirksam vereinfacht zu werden, und der Preis für die Kosten hiervon kann in hohem Umfang verringert werden.

Ein Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und den herkömmlichen Techniken, bei denen das Rohr für den Niederdruck-Sperrdampf bis in das Innere des Kondensators verlängert wird, um den Dampf mit dem Abgas aus der Turbine zu kühlen, zeigt, daß es die Erfindung ermöglicht, den Wirkungsgrad der Dampfturbine dank der Weglassung einer Rohrschleife zu verbessern, die eine Erhöhung des Widerstands im Abgas-Strömungskanal verursacht.

Die vorliegende Erfindung erfordert kein Kühlwasser für einen Kühler, verglichen mit der Turbinenanlage aus dem Stand der Technik, in welcher ein Kühler vorgesehen ist. Dies ermöglicht es, daß die Pumpenkapazität und die Pumpen- Eingangsleistung verringert werden.

Die Dampfzufuhranlage gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Zuverlässigkeit. Sie ist insbesondere imstande, Sperrdampf mit optimalen Bedingungen effektiv dem Stopfbüchsenabschnitt der Niederdruck-Dampfturbine zuzuführen, ohne daß komplizierte Tätigkeiten ausgeführt werden. Deshalb kann die vorliegende Erfindung ein Dampfturbinensystem ohne Verringerung der Betriebs-Lebensdauer liefern.


Anspruch[de]

1. Sperrdampfsystem für eine Anordnung von Dampfturbinen (1, 2) einschließlich einer Hochdruckturbine (1) und einer Niederdruckturbine (2), die eine Hochdruck-Dampfzuführung (7) für die Hochdruckturbine und eine Niederdruck-Dampfzuführung (19) für die Niederdruckturbine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf von der Niederdruck-Dampfzuführung (19) an einen Niederdruck-Sperrdampfabschnitt der Niederdruckturbine (2) unabhängig von dem Dampf zugeführt wird, der einem Hochdruck-Sperrdampfabschnitt (5) der Hochdruckturbine (1) zugeführt wird, wobei der dem Niederdruck-Sperrdampfabschnitt (6) zugeführte Dampf aus einem mittels eines Reduzierventils (25) erfolgenden Druckverminderungsvorgang gewonnen wird, um so den Ausgangsdruck des Reduzierventils auf einem vorgegebenen Wert zu halten.

2. Sperrdampfsystem nach Anspruch 1, bei dem ein Dampfdruckregulator (3) ausgebildet ist, um den dem Hochdruck- Sperrdampfabschnitt zugeführten Dampfdruck einzustellen und überschüssigen Dampf einem Kondensator (10) zuzuführen.

3. Energieerzeugende Turbinenanlage mit einer Anordnung von Dampfturbinen einschließlich einer Hochdruckturbine (1) und einer Niederdruckturbine (2), und einem Abwärmerückgewinnungskessel (50), bei der die Anordnung der Dampfturbinen ein Sperrdampfsystem gemäß Anspruch 1 oder 2 aufweist und der Abwärmerückgewinnungskessel (50) ausgebildet ist, um den Arbeitsdampf für die Anordnung der Dampfturbinen bereitzustellen.

4. Energieerzeugende Turbinenanlage nach Anspruch 3, bei der der Abwärmerückgewinnungskessel (50) zum Antrieb der Dampfturbinen (1, 2) einen Hochdruck-Dampferzeugungsabschnitt und einen Niederdruck-Dampferzeugungsabschnitt aufweist.

5. Energieerzeugende Turbinenanlage nach Anspruch 4, die eine Gasturbine (30) umfaßt, bei der der Abwärmerückgewinnungskessel (50) ausgebildet ist, um Wärme des Abgases der Gasturbine (30) zurückzugewinnen, wobei der Hochdruck-Dampferzeugungsabschnitt aus einem Ekonomizer (503), einem Hochdruck-Dampferzeuger (504) und einem Überhitzer (505) besteht und der Niederdruck-Dampferzeugungsabschnitt aus einem Ekonomizer (501) und einem Niederdruck-Dampferzeuger (502) besteht, und der Dampf des Hochdruck-Dampferzeugungsabschnittes die Hochdruck-Dampfzuführung (7) darstellt und der Dampf vom Niederdruck-Dampferzeuger die Niederdruck-Dampfzuführung (19) darstellt.

6. Energieerzeugende Turbinenanlage nach Anspruch 4 oder 5, bei der mehrere Anordnungen von Dampfturbinen und Abwärmerückgewinnungskesseln (50), von denen den Dampfturbinen (1, 2) Arbeitsdampf zugeführt wird, vorgesehen sind, wobei ein erstes Verbindungsrohr zwischen den Hochdruck-Dampferzeugungsabschnitten jedes der Abwärmerückgewinnungskessel (50) und ein zweites Verbindungsrohr (Al) zwischen den Niederdruck-Dampferzeugungsabschnitten jedes der Abwärmerückgewinnungskessel (50) vorgesehen ist.







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