In Industrieanlagen, beispielsweise in Anlagen zur Energieer- zeugung, wird zum Antreiben einer Turbine dieser ein gasför- miges Medium zugeführt. Die Turbine ist in der Regel mit ei- nem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verbun- den oder treibt beispielsweise einen Verdichter oder eine Pumpe an. Bei einer Dampfturbine ist das gasförmige Medium Frischdampf. Dieser Frischdampf wird in einem der Turbine vorgeschalteten Kessel erhitzt, bevor er der Turbine zuge- führt wird.

Die gesamte Turbinenanlage und insbesondere die Turbine sind für eine bestimmte Temperatur, z. B. für 520°C, ausgelegt.

Bei Überschreiten eines bestimmten Temperaturbereichs, bei- spielsweise zwischen 450°C und 550°C, kann es zu Beeinträch- tigungen. beim Betrieb und zu Schädigungen der Turbine kommen.

Schwankungen in der Temperatur des Frischdampfs sind auf vielerlei Ursachen zurückzuführen, beispielsweise auf eine schwankende Qualität des Brennstoffs, mit dessen Hilfe der Frischdampf erhitzt wird, oder auch auf Probleme im Kesselbe- reich oder der Kesseltemperaturregelung.

Zum Schutz der Turbine wird gegenwärtig die Zufuhr des Frischdampfs unterbunden, wenn der festgelegte Temperaturbe- reich verlassen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine sowie eine Turbinenanlage anzugeben, bei denen eine Beschädigung oder eine Beeinträchtigung der Turbine aufgrund von Temperatureinflüssen vermieden ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfah- ren zum Betreiben einer Turbine, insbesondere einer Dampftur- bine, der ein gasförmiges Medium zugeführt wird, wobei die zeitliche Änderung der Temperatur des Mediums überwacht wird.

Der Überwachung der Veränderung der Temperatur, also die Be- obachtung des Verlaufs des Temperaturgradientens, liegt die Überlegung zugrunde, dass eine zu schnelle Temperaturänderung -auch wenn sie im erlaubten Temperaturbereich zwischen den absoluten Grenzwerten liegt-zu einer Schädigung der Turbine führen kann. Denn bei einer zu schnellen Temperaturänderung oder bei Auftreten von Temperatursprüngen treten unter Um- ständen Materialprobleme auf, die sich insbesondere auf den Wirkungsgrad der Turbine nachteilig auswirken, und unter Um- ständen zu Rissen und zum Materialbruch führen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei denen lediglich überwacht wird, ob die Temperatur einen festgelegten absoluten Grenz- wert überschreitet, wird damit eine deutlich verbesserte Schutzfunktion erreicht.

Die Überwachung der Temperaturänderung eröffnet somit die Möglichkeit, bereits bei einer zu großen oder zu schnellen Temperaturänderung geeignete Vorsorgemaßnahmen zu ergreifen.

Vorzugsweise wird bei Überschreiten eines maximalen Tempera- turgradientens als Maß für die zeitliche Änderung der Tempe- ratur die Zufuhr des Mediums zur Turbine unterbrochen, indem ein Schnellschluss durchgeführt wird. Bei dem Verfahren wird demnach ein bestimmter Wert für die Temperaturänderung zuge- lassen. Wird dieser Wert insbesondere für eine längere Zeit überschritten, wird zum Schutz der Turbine vor einer zu gro- ßen thermischen Belastung die Zufuhr des Frischdampfs unter- bunden.

In einer bevorzugten Ausführung wird der maximal zulässige Temperaturgradient in Abhängigkeit des Lastzustands der Tur- bine festgelegt, und zwar insbesondere derart, dass mit zu-

nehmende Last der maximal zulässige Temperaturgradient klei- ner wird. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, dass bei geringen Lastzuständen der Wärmeübertrag vom Frischdampf auf das Material der Turbine insbesondere aufgrund der gerin- geren Dichte und der geringen Geschwindigkeit des Frisch- dampfs gering ist. Daher sind im Schwachlastbereich höhere Temperaturgradienten erlaubt, ohne dass die Gefahr einer Schädigung der Turbine besteht.

Zweckdienlicherweise wird zusätzlich zur Überwachung der Tem- peraturänderung die Zufuhr des Mediums zur Turbine unterbro- chen, wenn ein absoluter Grenzwert für die Temperatur über- schritten wird. Es wird also ein zulässiger absoluter Tempe- raturbereich vorgegeben, innerhalb dessen sich die Frisch- dampftemperatur bewegen darf.

Um den für die Überwachung notwendigen Aufwand gering zu hal- ten, ist vcrteilhafterweise vorgesehen, den Istwert der aktu- ellen Temperatur des Frischdampfs zyklisch abzufragen. Aus dem Vergleich aufeinanderfolgender Istwerte wird die Tempera- turänderung und der Temperaturgradient ermittelt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird in Abhän- gigkeit des Istwerts ein dynamischer Grenzwert festgelegt, der sich mit dem Temperaturverlauf ändert, jedoch höchstens im Rahmen des maximalen Temperaturgradienten. Durch die Fest- legung des dynamischen Grenzwerts wird also ein Temperaturbe- reich definiert, innerhalb dessen Temperaturschwankungen er- laubt sind. Durch die Dynamisierung werden erlaubte Tempera- turänderungen, beispielsweise ein stetiges Steigen beim An- fahren, berücksichtigt. Damit wird die Gefahr eines fehler- haften Auslösens der Schutzfunktion vermieden.

Da Temperaturänderungen in beiden Richtungen auftreten kön- nen, wird vorzugsweise ein unterer und ein oberer dynamischer Grenzwert festgelegt. Dabei werden die Grenzwerte vorteilhaf- terweise derart festgelegt, dass sie um einen definierten

Temperaturwert vom Istwert beabstandet sind. Der. definierte Temperaturwert gibt also einen festen Temperaturbereich zwi- schen dem Istwert und dem oberen dynamischen bzw. dem unteren dynamischen Grenzwert an, sofern keine außerordentlichen Tem- peraturänderungen auftreten. Treten nämlich Temperaturgra- dienten auf, die den maximal zulässigen Temperaturgradienten übersteigen, so verringert sich der Abstand vom Istwert zu einem der dynamischen Grenzwerte zusehends, bis er schließ- lich den Grenzwert überschreitet. Die Istwert-Kurve schneidet also bei Überschreiten des maximalen Temperaturgradienten die Kurve des dynamischen Grenzwerts.

Vorteilhafterweise wird ein Überschreiten des dynamischen Grenzwerts als Indiz für eine unzulässige Temperaturänderung herangezogen, und die Zufuhr des Mediums zur Turbine wird un- terbrochen.

Um ein, zu schnelles Auslösen der Schutzfunktion, beispiels- weise aufgrund von kurzzeitigen elektrischen Einwirkungen zu vermeiden, wird nach dem Überschreiten des dynamischen oder auch des absoluten Grenzwerts die Zufuhr des Mediums zur Tur- bine erst dann eingestellt, wenn der dynamische bzw. der ab- solute Grenzwert nach zumindest einem weiteren Kontrollab- fragezyklus weiterhin überschritten ist. Es wird also durch Abwarten zumindest eines weiteren Kontroll-Abfragezyklus ein gewisser Zeitpuffer eingefügt.

Bevorzugt wird hierbei nach Überschreiten des dynamischen oder des absoluten Grenzwerts der Abfragezyklus verkürzt, also die Temperaturmessung in kürzeren Zeitabständen wieder- holt. Damit wird in vorteilhafterweise die Abfragehäufigkeit der Temperatur an den Bedarf angepasst, d. h. bei einem norma- len Verlauf wird die Temperatur vergleichsweise selten und bei einem kritischen Verlauf wird die Temperatur häufiger ab- gefragt.

In einer zweckdienlichen Ausführung ist vorgesehen, beim An- fahren der Turbine und/oder nach einem Fehler bei der Überwa- chung des Temperaturverlaufs, den ersten neugemessenen Ist- wert der Frischdampftemperatur zur Ermittlung des dynamischen Grenzwerts heranzuziehen. Damit wird eine zuverlässige Wir- kungsweise der mit der Überwachung der Temperaturänderung eingerichteten Schutzfunktion gewährleistet, und es ist ver- mieden, dass beispielsweise der letzte gemessene Istwert vor dem Abschalten der Turbine gespeichert und zur Bestimmung der dynamischen Grenzwerte herangezogen wird. Denn dies hätte beim erneuten Anfahren der Turbine zwangsläufig das Auslösen der Schutzfunktion und damit ein Abschalten der Frischdampf- zufuhr zur Folge, wenn der gespeicherte Istwert vom aktuellen Istwert deutlich verschieden ist. Als Kriterium für das Zuschalten der Schutzfunktion wird vorteilhafterweise das Schließen eines Generatorschalters bei einer Generatorturbine und das Überschreiten der kleinsten Antriebsdrehzahl bei ei- ner Antriebsturbine herangezogen.

Um das Betriebspersonal bereits bei ungewöhnlichen Tempera- turänderungen auf eine mögliche Gefahr hinzuweisen, wird vorteilhafterweise bei Annäherung des Istwerts an den dynami- schen und/oder an den absoluten Grenzwert eine Warnmeldung abgegeben. Diese Warnmeldung wird insbesondere dann abgege- ben, wenn der Istwert sich bis auf einen vorgegebenen Abstand einem der Grenzwerte genähert hat. Die Warnmeldung erfolgt beispielsweise akustisch und/oder optisch.

Um ein möglichst rechtzeitiges Auslösen der Schutzfunktion zu ermöglichen, wird der Temperaturverlauf des Mediums bereits vor dem Eintritt des Mediums in die Turbine überwacht, und zwar insbesondere im Bereich eines der Turbine vorgeschalte- ten Kessels oder bereits unmittelbar hinter einem sogenannten Dampfsammler. Im Falle einer unzulässigen Temperaturänderung erfolgt daher der Schnellschluss bevor der zu kalte oder zu heiße Dampf die Turbine erreicht.

Vorzugsweise ist der Schutzmechanismus, also die Möglichkeit der Verhinderung der Zufuhr des Mediums zur Turbine, erst dann aktivierbar, wenn die Turbine unter einer vorgegebenen Last betrieben wird. Damit ist die Schutzfunktion insbeson- dere beim Anfahren der Turbine nicht aktiviert. Dies beein- trächtigt die Sicherheit nicht, da dabei und im Schwachlast- betrieb die Gefahr von Schädigungen aufgrund von Temperatur- änderungen relativ gering ist.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Turbinenanlage mit einer mit einem gasförmigen Medium betreibbaren Turbine, mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Mediums, und mit einer Schutzeinrichtung zur Ermittlung des Temperaturverlaufs sowie zum Unterbrechen der Zufuhr des Me- diums zur Turbine bei Überschreiten eines Temperaturgradien- ten.

Die im Hinblick auf das Verfahren erwähnten Vorteile und zweckdienlichen Ausführungen sind sinngemäß auf die Turbinen- anlage zu übertragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen : FIG 1 eine Turbinenanlage in einer grob vereinfachten schematischen Darstellung, FIG 2 bis 5 unterschiedliche Temperaturverläufe der Frisch- dampftemperatur mit den Kurven der zugehörigen dynamischen Grenzwerte, und FIG 6 die Abhängigkeit eines maximal zulässigen Tempe- raturgradientens vom Lastzustand der Turbine.

Die Turbinenanlage 2 gemäß FIG 1 umfasst eine Turbine 4, ins- besondere eine Dampfturbine, die über eine Welle 6 mit einem Generator 8 zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden ist. Die Turbine wird von einem gasförmigen Medium, insbeson- dere von Frischdampf angetrieben. Der Frischdampf wird in ei-

nem Kessel 10 erzeugt und von dort über eine Dampfleitung 12 der Turbine 4 zugeleitet. Die Dampfleitung 12 ist über ein Ventil 14, insbesondere ein Schnellschlussventil, absperrbar.

Die Turbinenanlage 2 umfasst weiterhin eine Schutzeinrichtung 16 sowie einen Temperatursensor 18, der im Ausführungsbei- spiel gemäß FIG 1 direkt an der Dampfleitung 12 unmittelbar im Bereich des Kessels 10 angebracht ist. Die Schutzeinrich- tung 16 steht über eine Datenleitung 20 mit dem Temperatur- sensor 18 und über eine Steuerleitung 22 mit dem Ventil 14 in Verbindung. Über die Steuerleitung 22 wird im Bedarfsfall der Turbinenschutz aktiviert, indem ein Schnellschluss ausgelöst wird.

Der Temperatursensor 18 dient zur Erfassung eines Istwerts I der Temperatur T des Frischdampfs. Der gemessene Istwert I wird der Schutzeinrichtung 16 übermittelt und dort gespei- chert sowie ausgewertet. Der Istwert I wird von der Schutz- einrichtung 16 zyklisch abgefragt, wobei die Periode des Ab- fragezyklus beispielsweise 6 Sekunden beträgt. Der derart von der Schutzeinrichtung 16 erfasste zeitliche Verlauf der Tem- peratur T des Frischdampfs wird vorzugsweise über eine An- zeige 24, insbesondere ein Bildschirm oder ein digitales Messgerät, optisch dargestellt. In Abhängigkeit der Änderung des gemessenen Istwerts I im Zeitverlauf, also in Abhängig- keit des aus den gemessenen Istwerten I ermittelten Tempera- turgradienten dT/dt, entscheidet die Schutzeinrichtung 16, ob das Ventil 14 betätigt wird. Bevorzugt wird im Betäti- gungsfall ein Schnellschluss ausgelöst, so dass die Turbine 4 von der Frischdampfzufuhr abgeschnitten wird. Der Schnell- schluss des Ventils 14 dient zum Schutz der Turbine vor ther- mischer Schädigung, beispielsweise in Form von Rissen infolge zu großer Temperaturänderungen. Der Schnellschluss wird zudem auch aktiviert, wenn der gemessene Istwert I einen absoluten Grenzwert unter-oder überschreitet. Mit einer derartigen Überwachung der Temperatur T wird eine hohe Schutzfunktion für die Turbine 4 bereitgestellt.

Damit der gemessene Istwert I soweit wie möglich der tatsäch- lichen Temperatur T des Frischdampfs entspricht, ist der Tem- peratursensor 18 als ein schnelles Thermoelement ausgeführt, welches sich dadurch auszeichnet, dass es mit seinem Metall- kontakt unmittelbar an einem sogenannten Tauchrohr der Dampfleitung 12 angebracht ist. Durch systematische Messfeh- ler bedingte Unterschiede zwischen dem gemessenen Istwert I und der tatsächlichen Temperatur T werden vorzugsweise von der Schutzeinrichtung 16 automatisch korrigiert. Im Folgenden wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass der ge- messene Istwert I der tatsächlichen Temperatur T entspricht.

Der interne Entscheidungsprozess innerhalb der Schutzeinrich- tung 16 wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert. In den Figuren ist jeweils die Temperatur T gegen die Zeit t aufgetragen. In die Darstellung sind insgesamt drei Temperaturverläufe eingezeichnet, nämlich die Tempera- turkurve 28 der Temperatur T des Frischdampfs sowie eine obere dynamische Grenzwertkurve 30 und eine untere dynamische Grenzwertkurve 32. Die Temperaturkurve 28 ist gebildet aus einer Anzahl diskreter Istwerte I, die von der Steuereinrich- tung 16 erfasst werden, und von denen einer beispielhaft dar- gestellt ist. Jedem gemessenen Istwert I wird ein oberer dy- namischer Grenzwert OG und ein unterer dynamischer Grenzwert UG zugeordnet. Die einzelnen diskreten dynamischen Grenzwerte OG, UG bilden die beiden dynamischen Grenzwertkurven 30,32.

Zur Überwachung der Temperatur T des Frischdampfs wird bei jedem Abfragezyklüss folgendermaßen vorgegangen : der gemes- sene Istwert I wird mit den dynamischen Grenzwerten OG, UG verglichen : Fall A : Der Istwert I ist kleiner als der obere Grenzwert OG bzw. größer als der untere Grenzwert UG. Es erfolgt eine Neufestlegung der dynamischen Grenzwerte OG, UG.

Dies geschieht im Falle des oberen Grenzwertes OG dadurch, dass einerseits der neu gemessene Istwert I mit einem defi- nierten Temperaturwert X addiert wird. Andererseits wird der bisherige obere Grenzwert OG um einen Änderungswert Y erhöht.

Zur Ermittlung des neuen oberen Grenzwertes OG wird nun die Summe (I + X) aus dem Istwert I und dem Temperaturwert X mit der Summe (OG + Y) aus dem bisherigen oberen Grenzwert OG und dem Änderungswert Y miteinander verglichen. Der niedri- gere Summenwert wird als neuer oberer Grenzwert OG definiert.

Gleichermaßen wird bei der Bestimmung des unteren Grenzwerts UG vorgegangen mit der Maßgabe, dass der Temperaturwert X vom Istwert I und der Änderungswert Y vom unteren Grenzwert UG subtrahiert wird, und dass der größere Summenwert als neuer unterer Grenzwert UG festgelegt wird.

Der Anderungswert Y bemisst sich dabei nach dem maximal zu- lässigen Temperaturgradienten dT/dt (max) der Temperatur T des Frischdampfs. Und zwar entspricht, die Änderung dY/dt des Än- derungswerts Y dem maximalen Temperaturgradienten dT/dt. Als maximaler Temperaturgradient dT/dt (max) wird beispielsweise ein Wert von 3K/min herangezogen. Bei einem Abfragezyklus von vorzugsweise 6sec entspricht dies 0,3K/Abfragezyklus. In die- sem Fall liegt der Änderungswert Y demnach bei 0,3K.

Die nach dieser Vorschrift ermittelten Grenzwertkurven 30,32 bilden ein erlaubtes Temperaturband 34, innerhalb dessen die Temperaturkurve 28 variieren kann, ohne dass ein Schnell- schluss ausgelöst wird. Dieses Temperaturband 34 ist dyna- misch und folgt dem Verlauf der Temperaturkurve 28. Lediglich bei sehr schnellen und dauernden Temperaturänderungen läuft die Temperaturkurve 28 aus dem erlaubten Temperaturband 34 heraus. Dies führt zu Fall B, bei dem der Istwert I über dem oberen Grenzwert OG bzw. unter dem unteren Grenzwert UG liegt. Es erfolgt vorzugsweise nach einer Kontrollphase die

automatische Aktivierung des Schnellschlusses des Ventils 14.

Dies wird im einzelnen zur FIG 3 näher erläutert.

Gemäß der Figur 2 weist die Temperaturkurve 28 zwei Unstetig- keitsstellen bei einem ansonsten horizontalen Verlauf auf.

Die Temperatur T springt dabei einmal sprunghaft an und fällt einmal sprunghaft ab. Nach der Zunahme verläuft die Tempera- turkurve 28 zunächst nahe an der oberen dynamischen Grenz- wertkurve 30, die sich gemäß dem oben beschriebenen Algorith- mus allmählich zu höheren Temperaturwerten hin verschiebt, bis sie letztendlich wieder um den Temperaturwert X von der Temperaturkurve 28 beabstandet ist. Der Anstieg der oberen Grenzwertkurve 30 wird bestimmt vom zeitlichen Verlauf des Anderungswerts dY/dt. Im Gegensatz zu der oberen Grenzwert- kurve 30 folgt die untere Grenzwertkurve 32 dem Sprung der Temperaturkurve 28 unmittelbar, d. h. die untere Grenzwert- kurve 32 weist ebenfalls ein Sprung auf. Dies resultiert dar- aus, dass zur Berechnung des neuen unteren Grenzwerts UG der Istwert I abzüglich dem Temperaturwert X maßgebend ist. Bei einem Sprung mit umgekehrten Vorzeichen, d. h. bei einem sprunghaften Abfall der Temperaturkurve 28 gilt für die Grenzwertkurven 30,32 das gleiche, mit der Maßgabe, dass nunmehr die untere Grenzwertkurve 32 allmählich zu tieferen Temperaturwerten verschoben und die obere Grenzwertkurve 30 sprunghaft nach unten gezogen wird.

Gemäß FIG 3, anhand der der Fall B, also das Auslösen der Schutzfunktion erläutert wird, gliedert sich die Tempera- turkurve 28 in vier Teilbereiche. Innerhalb dieser Teilberei- che wird der Temperaturgradient dT/dt zunehmend größer und übersteigt im vierten Teilbereich den maximalen Temperatur- gradienten dT/dt von 3K/min. Es ist zu erkennen, dass die Grenzwertkurven 30,32 der Temperaturkurve 28 zunächst unter Beibehaltung des Abstands um den Temperaturwert X folgen, bis der Temperaturgradient dT/dt im vierten Teilbereich zu groß wird. Die Temperaturkurve 28 läuft dann aus dem Temperatur- band 34 heraus und schneidet die untere Grenzwertkurve 32 zu

einem Zeitpunkt tl. Sobald dies erfolgt, werden vorteilhaf- terweise die Abfragezyklen beispielsweise von 6sec auf 2sec verkürzt. Wenn vorzugsweise nach drei weiteren kurzen Zyklen der Istwert I weiterhin unter der Grenzwertkurve 32 liegt, erfolgt zum Zeitpunkt t2 ein Schnellschluss. Durch das Abwar- ten von weiteren Kontrollzyklen mit kleinerem Abfragzyklus wird gewährleistet, dass nicht ein singuläres Ereignis, bei- spielsweise ein Messfehler oder eine andere elektrische Ein- wirkung, zum Auslösen des Schnellschlusses führt.

Gemäß den Figuren 4 und 5 sind weitere typische Temperatur- verläufe 28 mit den entsprechenden Verläufen der Grenzwert- kurven 30 und 32 dargestellt. Wie aus FIG 5 zu entnehmen ist, hat eine sprunghafte alternierende Änderung der Temperatur- kurve 28 zur Folge, dass, sich das Temperaturband 34 zusehends verengt. Erst wenn die Temperaturkurve 28 wieder einen konti- nuierlichen Verlauf einnimmt, weitet sich das Temperaturband 34, so dass die Grenzwertkurven 30,32 von der Temperaturkurve 28 um den Temperaturwert X beabstandet sind.

In FIG 5 sind zusätzlich zu den dynamischen Grenzwertkurven 30,32 ein oberer absoluter Grenzwert OA und ein unterer abso- luter Grenzwert UA als fette Linien eingezeichnet. Wie der FIG 5 weiterhin zu entnehmen ist, schneidet die Temperatur- kurve 28 die den oberen Grenzwert OA repräsentierende hori- zontale Linie zu einem Zeitpunkt t3, was zum Auslösen des Schnellschlusses führt. Neben der Überwachung des Temperatur- gradientens dT/dt wird von der Schutzeinrichtung 16 daher auch überwacht, ob die Temperatur T des Frischdampfs die ab- soluten Grenzwerte OA und UA über-bzw. unterschreitet.

Gemäß FIG 6 nimmt der maximale Temperaturgradient dT/dt (max) mit zunehmendem Lastzustand L ab. Vorzugsweise beträgt der maximale Temperaturgradient dT/dt (max) bei sehr geringem Lastzustand L etwa lOk/min und fällt linear auf etwa 3K/min im Vollastbetrieb ab. Der Lastzustand L ist in FIG 6 als re- lative Größe zwischen 0 und 1 angegeben. Diese Abhängigkeit

des maximalen Temperaturgradientens dT/dt (max) ist ohne Si- cherheitseinbußen möglich, da bei Schwachlastbetrieb der Wär- meübertrag vom Frischdampf auf die Turbine 4 geringer ist als im Volllastbetrieb. Vorzugsweise ist in einer vereinfachten Ausführung der maximale Temperaturgradient dT/dt (max) auf den minimalen Wert unabhängig vom Lastzustand L festgelegt.