Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine einen drehbar gelagerten Dampfturbinen-Rotor und ein um den Dampfturbinen-Rotor angeordnetes Gehäuse aufweist, wobei der Rotor drehmomenttech ^¬ nisch mit einem Generator-Rotor eines elektrischen Generators gekoppelt wird, wobei der Generator mit einem Kühlmedium, insbesondere Luft, gekühlt wird, wobei ein Kühl-Druck des Kühlmediums im Generator eingestellt wird, wobei der Genera ^¬ tor-Rotor ein Drehmoment auf den Dampfturbinen-Rotor ausübt.

Dampfturbinen werden beispielsweise in Dampfkraftwerken oder Gas- und Dampfturbinenkraftwerken eingesetzt und haben vorwiegend die Aufgabe, thermische Energie in mechanische Ener ^¬ gie umzuwandeln, um den Rotor einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere elektrischen Generator anzutreiben. Dabei wird ein heißer Dampf mit einer vergleichsweise hohen thermischen Energie über Einströmbereiche in die Dampfturbine geführt, wobei sich der Dampf auf einem Strömungsweg inner ^¬ halb der Dampfturbine thermisch entspannt und dabei abkühlt, wodurch sich die thermische Energie in eine Rotationsenergie des Dampfturbinen-Rotors umwandelt. Im Dauerbetrieb sind die Bauteile der Dampfturbine und des elektrischen Generators in einem thermischen Ausgleichszustand. Allerdings sind Be- triebszustände erforderlich, die ein Abfahren der Dampfturbi ^¬ ne und wiederum ein Anfahren der Dampfturbine erfordern.

Das An- und Abfahren einer Dampfturbine ist durch mehrere Herausforderungen charakterisiert. Beim Anfahren einer Dampfturbine wird diese lediglich von einem vergleichsweise gerin- gen Dampfmassenstrom durchströmt. Die Folge ist, dass die verfügbare Dampfmenge nicht ausreicht, um die Endstufe aus ^¬ reichend homogen zu durchströmen, dadurch das radiale Druckgefälle eine nabenseitige Ablöseneigung begünstigt. Es kann nun vorkommen, dass durch die Drehbewegung des Dampfturbinen- rotors, durch die Rückströmung und durch die resultierende Reibleistung der Schaufeln der Dampf erhitzt. Dies hat zur Folge, dass die Endstufenschaufeln sich kontinuierlich erwär- men. Dabei kann es vorkommen, dass die Temperaturen unzulässige Werte erreichen und dadurch die Verfügbarkeit der Dampf ^¬ kraftanlage einschränkt.

Eine weitere Herausforderung ist, dass in einem Hochdruck- Teil der Dampfturbine die Expansion bei einer Netztrennung nur sehr geringe Leistung erzeugt. Anderenfalls würde die Dampfkraftanlage in eine so genannte Überdrehzahl gehen, was sich durch eine erhöhte Drehzahl des Dampfturbinenrotors be ^¬ merkbar macht. Dabei sind sehr hohe Temperaturen am Austritt der Hochdruck-Teil-Turbine nicht zu vermeiden und können bei einem so genannten Heißstart gegebenenfalls zu einer Abschal ^¬ tung führen. Durch Bereitstellung von Bremsleistung im

Strang, der durch den Dampfturbinen-Rotor und den Roter des elektrischen Generators gebildet ist, kann die Hochdruck- Teil-Turbine ein höheres Druckgefälle erhalten mit einem ent ^¬ sprechenden Temperaturabbau, ohne dass dabei die Drehzahl über die Nennfrequenz ansteigt, wobei der Generator dabei keine elektrische Leistung abgibt. Beim Abfahren hilft die vorgeschlagene zusätzliche Bremsleis ^¬ tung, da die Drehzahlsperrbereiche (Gefahr der Resonanz von Bauteilen wie z. B. Schaufeln) insbesondere bei tief abge ^¬ stimmten Endstufen schnell durchlaufen werden. Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass die Dampfturbine, insbesondere vor und im ersten Expansionsabschnitt durch einen erhöhten Druck bzw. die dazugehörige Kondensationstemperatur schneller durchwärmt wird, was die Verfügbarkeit der Anlage erhöht.

In den Dokumenten WO2009/038562 A2, WO2011/018404 AI und US 2016/344258 werden verschiedene Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine offenbart. Wünschenswert wäre es, die vorgenannten Probleme zu beseiti ^¬ gen .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine anzugeben, bei dem der Anfahr- und Ab- fahrprozess verbessert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine einen drehbar ge ^¬ lagerten Dampfturbinen-Rotor und einen um den Dampfturbinen- Rotor angeordnetes Gehäuse aufweist, wobei der Rotor drehmo ^¬ menttechnisch mit einem Generator-Rotor eines elektrischen Generators gekoppelt wird, wobei der Generator mit einem Kühlmedium, insbesondere Luft, gekühlt wird, wobei ein Kühl- Druck des Kühlmediums im Generator eingestellt wird, wobei der Generator-Rotor ein Drehmoment auf den Dampfturbinen- Rotor ausübt, wobei das Drehmoment vom Generator-Rotor auf den Dampfturbinen-Rotor mittels einer Änderung des Kühlmedium-Drucks verändert wird. Des Weiteren wird die Aufgabe ge ^¬ löst durch eine Automatisierungseinheit zum Betreiben eines solchen Verfahrens.

Die Erfindung schlägt vor, den an eine Dampfturbine drehmo ^¬ menttechnisch gekoppelten Generator als Bremse zu nutzen. Dabei wird der Generator im Betrieb mit Luft gekühlt. Eine Er ^¬ höhung des Luftdrucks im Generator führt zu erhöhten Gasrei ^¬ bungsverlusten durch Oberflächenreibung, Lüfterleistung und Förderwirkung des Rotors bzw. Radiallüfters. Somit kann das vom elektrischen Generator-Rotor übertragene Drehmoment auf den Dampfturbinen-Rotor durch Einstellen des Drucks der

Kühlluft verändert werden. Dieser Zusammenhang wird ausge ^¬ nutzt, um das Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, insbesondere beim An- und Abfahren optimal auszunutzen.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch diese zusätzliche Möglichkeit in Form von Wärme im Generator umzuwandeln, statt in Turbinendrehzahl, mehr Dampfmassenstrom durch die Dampf- turbine geleitet werden kann bzw. ein höherer Dampfdruck eingestellt werden kann, ohne eine Überdrehzahl einzuleiten.

Beispielsweise kann die Bremsleistung eines Generators auf- grund der Gasreibung sich von ca. 1 Megawatt auf 2 Megawatt steigern, wenn der Luftdruck der Kühlluft von einem bar auf 2 bar gesteigert wird. Dadurch würde sich die Bremsleistung von beispielsweise 1,5 Megawatt auf 2,5 Megawatt erhöhen. Solch eine Erhöhung der Bremsleistung könnte zu einer möglichen Massenstromerhöhung von ca. 66 %, bezogen auf den vergleichbaren Anfahrvorgang führen.

Mit der Erfindung wurde erkannt, dass die erzeugte zusätzli ^¬ che Reibleistung im Generator zu einer Enthalpie-Erhöhung des Kühlgases im Generator führt. Dabei wird die Temperatur nicht gesteigert; die Wärmekapazität nimmt mit der steigenden Luft ^¬ dichte entsprechend zu. Die Wärmeenergie wird in Gaskühlern des Generators abgekühlt, wobei dadurch im Generator ein ge ^¬ schlossener Gaskühlkreislauf vorliegt, oder im offenen Kühl- kreislauf an die Umgebung abgeführt.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass bestehende Anlagen ledig ^¬ lich umgerüstet bzw. angepasst werden müssen, um die erfindungsgemäßen Wirkungen zu erreichen.

Mit der Erfindung wird somit eine Regelung vorgeschlagen, welche zusätzlich am An- und/oder Abfahrprozess der Dampfturbine den Generatorgasdruck mit Hinblick auf die Dampfturbine einstellt. Die Anlagenverfügbarkeit lässt sich dadurch stei- gern. Des Weiteren wird vorteilhafterweise eine Verminderung der Ventilation an den Dampfturbinen-Endstufen erreicht, was zu einer Lebensdauerverbrauchminimierung führt.

Des Weiteren wird vorteilhafterweise die Hochdruck- Abdampftemperatur der Dampfturbine aktiv beeinflusst, was zu einer Verfügbarkeitserhöhung führt. Dadurch kann beispielsweise die so genannte kalte Zwischenüberhitzerleitung kostengünstiger ausgeführt werden. Des Weiteren könnte man bei ei- nem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Anfahrlei- tungen verzichten.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass eine Schau- felermüdung beim Durchlaufen der Drehzahlsperrbereiche minimiert wird. Das führt zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer der Dampfturbinenschaufein .

Ebenso ist es vorteilhaft, dass durch die Erhöhung der Kon- densationstemperatur beim Anwärmen ein schnelleres Anfahren der Dampfturbine möglich ist.

Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Eine Dampfkraftanlage oder eine Gas- und Dampfturbinenanlage weist in der Regel eine Dampfturbine auf, die eine Hochdruck- Teilturbine, eine Mitteldruck-Teilturbine und eine Nieder ^¬ druck-Teilturbine umfasst. In einem Dampferzeuger wird Dampf erzeugt, der über eine Frischdampfleitung zur Hochdruck- Teilturbine geführt wird. Der aus der Hochdruck-Teilturbine ausströmende Dampf ist entsprechend abgekühlt und weist einen niedrigeren Druck auf. Dieser abgekühlte Dampf wird über eine kalte Zwischenüberhitzerleitung zu einem Zwischenüberhitzer geführt und dort wieder auf eine höhere Temperatur erwärmt. Anschließend gelangt der zwischenüberhitzte Dampf über die heiße Zwischenüberhitzerleitung zu der Mitteldruck- Teilturbine und strömt anschließend aus der Mitteldruck- Teilturbine zur Niederdruck-Teilturbine und von dort unmit ^¬ telbar in einen Kondensator, wo der Dampf zu Wasser kondensiert und über Pumpen entsprechend wieder zum Dampferzeuger geführt wird. Damit ist der Kreislauf geschlossen, beim An ^¬ fahrvorgang müssen die Bauteile entsprechend erwärmt werden, was eine gewisse Zeit erfordert. Die Dampfturbine weist einen Dampfturbinen-Rotor auf, der drehbar gelagert ist, wobei um den Dampfturbinen-Rotor ein Gehäuse angeordnet ist. Der

Dampfturbinen-Rotor ist mit einem Generator-Rotor drehmomenttechnisch gekoppelt. Das bedeutet, dass das von der Dampftur ^¬ bine erzeugte Drehmoment des Dampfturbinen-Rotors ein Drehmo ^¬ ment auf den Generator-Rotor ausübt.

Der elektrische Generator weist einen drehbar gelagerten Generator-Rotor auf, auf dem eine Läuferwicklung angeordnet ist. Durch die Läuferwicklung fließt ein vergleichsweise ho ^¬ her elektrischer Strom, mit dem ein Magnetfeld erzeugt wird, das durch die Drehung ein wechselndes Magnetfeld in eine Statorwicklung eines im Generatorgehäuse befindliche Ständer ^¬ wicklung führt. In die Ständerwicklung wird eine elektrische Spannung induziert. Durch die vergleichsweise hohen Ströme in der Läuferwicklung als auch in der Statorwicklung, müssen diese gekühlt werden. Eine Wicklung wird beispielsweise mit Luft gekühlt. Der Luftdruck hat hierbei einen Einfluss auf die Kühlleistung und auf das Drehmoment des Generator-Rotors, da durch eine Erhöhung des Luftdrucks sich die Gasreibung erhöht, was zu Gasreibungsverlusten führt und dadurch zu erhöhten negativen Drehmomenten. Die Statorwicklung kann beispielsweise ebenfalls mit Luft oder mit Stickstoff oder mit Wasser gekühlt werden. Der Kühldruck des Kühlmediums, hier Kühlluft, kann eingestellt werden. Durch eine Automatisie ^¬ rungseinheit kann der Kühl-Druck derart eingestellt werden, dass das Drehmoment vom Generator-Rotor auf den Dampfturbi ^¬ nen-Rotor verändert wird, was insbesondere beim An- und/oder Abfahrvorgang ausgenutzt wird. Beispielsweise kann beim An ^¬ fahrvorgang eine Druckerhöhung zu einem vergrößerten negativen Drehmoment des Generatorrotors auf den Dampfturbinen- rotor führen, was zu einer Anhebung der Drücke bzw. Massenströme in der Dampfturbine ohne Überdrehzahl genutzt werden kann .

Die Erhöhung des Drucks des Kühlmediums, hier Luft in elekt- rischen Generatoren, wurde bisher allein für die Kühlung eingesetzt. Mit der Automatisierungseinheit wird nun eine Rege- lung realisiert, welche zusätzlich am An und/oder Abfahrpro- zess der Dampfturbine den Generatorgasdruck mit Hinblick auf die gewünschte Last der Dampfturbine einstellt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .