Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage und ein Ver ^¬ fahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage .

Eine Dampfturbinenanlage findet insbesondere in einem thermi ^¬ schen Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie Anwendung. Insbesondere aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten ist es erstrebenswert, die Dampfturbinenanlage bei einem möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad zu betrei ^¬ ben. Herkömmlich weist die Dampfturbinenanlage eine Dampftur ^¬ bine und einen Dampferzeuger auf, mit dem Speisewasser erwärmt und dadurch Frischdampf erzeugt wird, das der Dampfturbine zum Antreiben derselben bereitgestellt wird. Dieser Kreisprozess der Dampfturbinenanlage ist herkömmlich derart ausgelegt, dass er bei Volllast der Dampfturbine den maxi ^¬ malen thermischen Wirkungsgrad hat. Andere Betriebszustände, die unterhalb der Volllast liegen, führen zu einem entspre ^¬ chend niedrigeren thermischen Wirkungsgraden.

Jedoch ist der Teillastbetrieb der Dampfturbinenanlage, ins ^¬ besondere wenn sie in dem Kraftwerk eingesetzt ist, von hoher Relevanz, da beispielsweise bei der Dampfturbinenanlage eine Leistungsreserve zum Bewältigen von Überlastbetriebszuständen vorzuhalten ist. Somit ist es wünschenswert, die Dampfturbi ^¬ nenanlage über einen breiten Lastbereich mit einem möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad zu betreiben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfturbinenanlage und ein Verfahren um Betreiben der Dampfturbinenanlage zu schaf ^¬ fen, wobei die Dampfturbinenanlage über einen weiten Leis ^¬ tungsbereich einen hohen thermischen Wirkungsgrad hat. Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage weist eine Dampftur ^¬ bine, einen Dampferzeuger und eine prozessdampfbetriebene Speisewasservorwärmungseinrichtung auf, wobei die Dampfturbine eine Überlastbypassleitung aufweist, mit der beim Überlastbetrieb der Dampfturbine Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt und der Entnahmestelle der Speisewasservor- wärmungseinrichtung einspeisbar ist, wobei die Speisewasser- vorwärmungseinrichtung eine Zusatzentnahmeleitung aufweist, die an die Überlastbypassleitung so angeschlossen ist, dass beim Teillastbetrieb der Dampfturbine von dieser Prozessdampf entnehmbar und der Speisewasservorwärmungseinrichtung zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung zufügbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage weist die Schritte auf: Bestimmen des Wirkungsgradoptimums und der zugeordneten Nennleistung der Dampfturbine; sobald die Dampfturbine oberhalb der Nennleistung betrieben wird, Freigeben der Überlastbypassleitung und Isolieren der Zusatzentnahmeleitung, so dass Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine und der Entnahmestelle der Spei- sewasservorwärmungseinrichtung eingespeist wird; sobald die Dampfturbine unterhalb der Nennleitung getrieben wird, Iso ^¬ lieren der Überlastbypassleitung und Freigeben der Zusatzentnahmeleitung, so dass Prozessdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine und der Entnahmestelle entnommen sowie der Speisewasservorwärmungseinrichtung zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung zugeführt wird.

Somit ist die Überlastbypassleitung für den Betrieb der

Dampfturbine bei Überlast und die Zusatzentnahmeleitung für den Betrieb der Dampfturbine bei Teillast vorgesehen. Im Überlastbetrieb der Dampfturbine wird ein Teilmassenstrom des Frischdampfs um einen ersten Teil der Hochdruckbeschaufelung der Dampfturbine geführt und in die Dampfturbine eingespeist. Dadurch ist von der Dampfturbine der Leistungsüberschuss , der oberhalb der Nennleistung liegt, erzeugbar, ohne dass der Frischdampfdruck am Dampfturbineneintritt verglichen mit dem Nennlastbetriebszustand anzuheben wäre. Ferner wird durch den Betrieb der Zusatzentnahmeleitung im Teillastbetrieb der Dampfturbine von der Dampfturbine Pro ^¬ zessdampf entnommen, der der Speisewasservorwärmungseinrich- tung zur zusätzlichen Speisewasservorwärmung im Teillastbe- trieb der Dampfturbine zugeführt wird, wodurch die Speisewas ^¬ sertemperatur angehoben wird. Damit kann dem thermodynamisch bedingten Absenken der Speisewassertemperatur bei abnehmender Dampfturbinenleistung entgegengewirkt werden. Dadurch, dass mit der Speisewassertemperaturabsenkung eine Absenkung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinenanlage einhergehen würde, wird mit dem Betrieb der Zusatzentnahmeleitung im Teillastbetrieb der Dampfturbine erreicht, dass der thermi ^¬ sche Wirkungsgrad der Dampfturbine hoch ist. Somit ist sowohl im Überlastbetrieb als auch im Teillastbetrieb der Dampftur- bine der thermische Wirkungsgrad hoch, so dass über einen weiten Leistungsbereich der Dampfturbine dessen thermischer Wirkungsgrad hoch ist.

Dadurch, dass die Zusatzentnahmeleitung an die Überlastby- passleitung angeschlossen ist, ist die Stelle der Dampfturbine, an der sowohl die Überlastbypassleitung als auch die Zusatzentnahmeleitung in die Dampfturbine münden, dieselbe Stelle für die Einspeisung des Frischdampfs im Überlastfall als auch für die Entnahme des Prozessdampfs im Teillastfall vorgesehen. Somit weist die Dampfturbine lediglich eine ein ^¬ zige Stelle auf, an der sowohl die Überlastbypassleitung als auch die Zusatzentnahmeleitung angebaut sind. Im Gegensatz dazu wäre das Vorsehen von zwei oder mehreren Stellen für das Einspeisen des Frischdampfs im Überlastfall und das Entnehmen des Prozessdampfs im Teillastfall konstruktiv aufwändig und lediglich entsprechend kostenintensiv zu realisieren, so dass die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage mit ihrer einzigen Anschlussstelle für die Überlastbypassleitung und die Zusatzentnahmeleitung einfach und kostengünstig konstruiert ist.

In vorteilhafter Weise wird die Dampfturbinenanlage mit einem Steuerungssystem ausgebildet. Mit dem Vorsehen der Überlastbypassleitung und der Zusatzentnahmeleitung ist vorteilhaft eine Vergleichmäßigung des Wirkungsgradverlaufs in Abhängigkeit der Leistung der Dampftur ^¬ bine erzielt. Dadurch sind Laständerungen der Dampfturbinen- anläge schneller bei gleichbleibendem und hohem Niveau des thermischen Wirkungsgrads fahrbar. Ferner ist der Lastbereich groß, in dem die Dampfturbinenanlage bei einer über die Zeit konstanten und von dem Dampferzeuger erzeugten Frischdampftemperatur betreibbar ist. Außerdem ist vorteilhaft erreicht, dass die Dampfturbinenanlage einen Mindestbetriebspunkt auf niedrigem Teillastniveau hat, bei dem die Dampfturbine noch bei stabilen Verhältnissen in der Dampfturbinenanlage (Ben- son-Mindestlast ) betreibbar ist. Beim Verfahren zum Betreiben der Dampfturbinenanlage ist es bevorzugt, dass im Betriebszustand der Dampfturbine unterhalb der Nennleistung die zusätzliche Speisewasservorwärmung derart ist, dass die Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers über die Last konstant ist. Alterna- tiv bevorzugt ist im Betriebszustand der Dampfturbine unter ^¬ halb der Nennleistung die zusätzliche Speisewasservorwärmung derart, dass die Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers bei abnehmender Leistung der Dampfturbinenanlage ansteigt. Ferner ist es bevorzugt, dass die Erhöhung der Speisewassertemperatur am Speisewassereintritt des Dampferzeugers bei gleichzeitiger Erhöhung der Speisewas ^¬ sermenge am Speisewassereintritt des Dampferzeugers der Min ^¬ destbetriebspunkt der Dampfturbinenanlage hin zu tieferen Teillasten verschiebbar ist. Das Ansteigen der Speisewasser- temperatur kann vorteilhaft bis an die Grenze der thermischen und mechanischen Belastbarkeit des Dampferzeugers ausgereizt werden. Eventuell der Dampfturbinenanlage nachgeschaltete Rauchgasprozessschritte, wie beispielsweise eine DeNOx-Anla- ge, können infolge der angehobenen Speisewassertemperatur bei einer höheren Rauchgastemperatur betrieben werden.

Diese Speisewasservorwärmungseinrichtung weist bevorzugtermaßen einen Speisewasservorwärmer auf, der von dem von der Entnahmestelle entnommenen Prozessdampf und von dem mit der Zusatzentnahmeleitung entnommenen Prozessdampf betrieben ist Dadurch wird zum Betreiben des Speisewasservorwärmers sowohl der durch die Zusatzentnahmeleitung entnommene Prozessdampf als auch der von der Entnahmestelle entnommene Prozessdampf zugeführt .

Alternativ weist die Speisewasservorwärmungseinrichtung einen Speisewasservorwärmer, der von den von der Entnahmestelle entnommenen Prozessdampf betrieben ist, und einen Zusatzvorwärmer auf, der von dem mit der Zusatzentnahmeleitung entnommenen Prozessdampf betrieben ist. Dadurch, dass der Zusatzvorwärmer in der Dampfturbinenanlage vorgesehen ist, kann die Einbindung des Zusatzvorwärmers in den Kreisprozess der

Dampfturbinenanlage unabhängig von der Einbindung des Speise ^¬ wasservorwärmers vorgenommen sein, so dass hinsichtlich der Optimierung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinenanlage Freiheitsgrade vorteilhaft genutzt werden können.

Hierbei ist es bevorzugt, dass der Zusatzvorwärmer im Speise ^¬ wasserstrom stromab des Speisewasservorwärmers geschaltet ist. Somit ist der Zusatzvorwärmer vorteilhaft dem Speisewas ^¬ servorwärmer nachgeschaltet. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Druckniveau des Prozessdampfs, mit dem der Zusatzvorwärmer betrieben ist, höher ist, als das Druckniveau des Prozessdampfs, mit dem der Speisewasservorwärmer betrieben ist.

Außerdem ist es bevorzugt, dass die Speisewasservorwärmungs- einrichtung ein Dreiwegeventil aufweist, mit dem der Zusatzvorwärmer in dem Speisewasserstrom zuschaltbar und von dem Speisewasserstrom abschaltbar ist. Hierbei ist bevorzugtermaßen mit dem Dreiwegeventil ein Teilstrom des Speisewasserstroms durch den Zusatzvorwärmer leitbar. Somit ist vorteilhaft mit dem Dreiwegeventil der gesamte Speisewasserstrom entweder an dem Zusatzvorwärmer vorbei, beispielsweise im Überlastbetrieb der Dampfturbine, oder teilweise oder ganz durch den Zusatzvorwärmer leitbar, beispielsweise im Teillastbetrieb der Dampfturbine. Somit kann hinsichtlich der Op- timierung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbinen- anlage in jedem Betriebszustand durch eine entsprechende Be ^¬ tätigung des Dreiwegeventils und einer entsprechenden Dimensionierung des Teilstroms des Speisewasserstroms durch den Zusatzvorwärmer optimiert werden.

In der Zusatzentnahmeleitung ist bevorzugtermaßen ein Zusatzentnahmeventil eingebaut, mit dem der Massenstrom des Pro ^¬ zessdampfs in der Zusatzentnahmeleitung steuerbar ist. Außer- dem ist es bevorzugt, dass die Dampfturbine eine Hochdruck ^¬ dampfturbine ist.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage anhand der beigefügten sche- matischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur ein Wärme ^¬ schaltbild der Ausführungsform der Dampfturbinenanlage .

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Dampfturbi ^¬ nenanlage 1 einen Dampferzeuger 2 auf, der zur Erzeugung von Frischdampf in der Dampfturbinenanlage 1 vorgesehen ist. Die Dampfturbinenanlage 1 weist ferner eine Speisewasserzuführ- leitung 3 auf, mit der Speisewasser dem Dampferzeuger 2 zugeführt wird. Stromab des Dampfererzeugers 2 ist ein Überhitzer 4 vorgesehen, durch den der Frischdampf in überkritischem Zu- stand bereitgestellt ist.

Ferner weist die Dampfturbinenanlage 1 eine Dampfturbine 5 auf, die als eine Hochdruckstufe 6 ausgebildet ist und an de ^¬ ren Eintritt der Frischdampf via eine Frischdampfleitung 7 zum Antreiben der Dampfturbine 5 einströmbar ist. Der Massenstrom des Frischdampfs ist mit einem in der Frischdampflei ^¬ tung 7 eingebauten Frischdampfventil 8 steuerbar. In der Dampfturbine 5 ist der Frischdampf als Prozessdampf entspannbar, wodurch die Wellenleistung der Dampfturbine 5 gewinnbar ist.

Die Dampfturbine 5 weist einen Entnahmestutzen 9 auf, der in eine Entnahmeleitung 10 mündet, die zu einem Speisewasservor- wärmer 11 führt. Durch den Entnahmestutzen 9 ist von der Dampfturbine 5 Prozessdampf abzapfbar, der via die Entnahme ^¬ leitung 10 zu dem Speisewasservorwärmer 11 geführt wird. Der Speisewasservorwärmer 11 ist als ein Wärmetauscher ausge- führt, der in die Speisewasserzuführleitung 3 geschaltet ist, so dass unter Kondensieren des Prozessdampfs in dem Speise ^¬ wasservorwärmer 11 eine Vorwärmung des Speisewassers bewerkstelligbar ist. Das beim Kondensieren des Prozessdampfs anfallende Kondensat ist über eine Kondensatleitung 12 in einer Kondensatsammelleitung 13 abführbar.

Die Dampfturbine 5 weist eine Überlastbypassleitung 14 auf, die stromauf des Frischdampfventils 8 von der Frischdampflei ^¬ tung 7 abzweigt und zu einem Überlastbypassstutzen 15 der Dampfturbine 5 führt, der zwischen dem Frischdampfeintritt und dem Entnahmestutzen 9 angeordnet ist. In der Überlastby ^¬ passleitung 14 ist ein Überlastbypassventil 16 vorgesehen, mit dem sowohl der durch die Überlastbypassleitung 14 strömende Frischdampfmassenstrom steuerbar als auch die Überlast- bypassleitung 14 isolierbar ist.

Stromab des Überlastbypassventils 16 mündet die Überlastby ^¬ passleitung 14 in eine Zusatzentnahmeleitung 17, die zu einem Zusatzvorwärmer 19 führt. In der Zusatzentnahmeleitung 17 ist ein Zusatzentnahmeventil 18 eingebaut, mit dem der durch die Zusatzentnahmeleitung 17 strömende Prozessdampf in seinem Massenstrom steuerbar ist und mit der die Zusatzentnahmelei ^¬ tung 17 isolierbar ist. Der Zusatzvorwärmer 19 ist als ein Wärmetauscher ausgebildet, der sowohl von dem Prozessdampf aus der Zusatzentnahmeleitung 17 als auch von dem Speisewasser aus der Speisewasserzuführleitung 3 durchströmbar ist. Der Zusatzvorwärmer 19 ist stromab des Speisewasservorwärmers 11 angeordnet, so dass durch den Zusatzvorwärmer 19 bereits von dem Speisewasservorwärmer 11 vorgewärmtes Speisewasser strömbar ist. Der Zusatzvorwärmer 19 ist parallel zu der Speisewasserzuführleitung 3 via eine Speisewasservorwärmleitung 21 geschaltet. An der stromauf liegenden Mündungsstelle der Speisewasservorwärmlei- tung 21 und der Speisewasserzuführleitung 3 ist ein Dreiwegeventil 20 eingebaut, mit dem der Speisewasserstrom in der Speisewasserzuführleitung 3, der durch den Zusatzvorwärmer 19 strömbar ist, regelbar ist. Somit ist das Dreiwegeventil 20 entsprechend zu schalten, wenn entweder kein Speisewasser, der gesamte Speisewasserstrom oder nur ein Teil davon durch den Zusatzvorwärmer 19 geleitet werden soll. Über den Leistungsbereich der Dampfturbine 5 ist ihr thermischer Wirkungsgrad entsprechend ihrer Auslegung und Bauweise variabel. Die Dampfturbine 5 ist so ausgelegt, dass sie bei einer vorgegebenen Nennleistung den maximalen thermischen Wirkungsgrad haben soll. Wird die Dampfturbine oberhalb der Nennleistung betrieben, wird das Überlastbypassventil 16 ge ^¬ öffnet und das Zusatzentnahmeventil 18 geschlossen, wodurch die Überlastbypassleitung 14 freigegeben und die Zusatzentnahmeleitung 17 isoliert ist. Dadurch wird Frischdampf zwischen dem Dampfturbineneintritt der Dampfturbine 5 und der Entnahmestelle 9 eingespeist. Sobald die Dampfturbine 5 un ^¬ terhalb der Nennleistung betrieben wird, wird das Überlast ^¬ bypassventil 16 geschlossen, so dass die Überlastbypasslei ^¬ tung 14 isoliert ist, und das Zusatzentnahmeventil 18 geöff ^¬ net, so dass die Zusatzentnahmeleitung 17 freigegeben ist. Dadurch wird von der Dampfturbine 5 stromauf des Entnahme ^¬ stutzens 9 Prozessdampf entnommen, der dem Zusatzvorwärmer 19 zugeführt wird. Durch eine entsprechende Stellung des Zusatz ^¬ entnahmeventils 18 ist der Massenstrom des Prozessdampfs in der Zusatzentnahmeleitung 17 steuerbar. Der Prozessdampf strömt von der Zusatzentnahmeleitung 17 in den Zusatzvorwärmer 19 und wird unter Wärmeabgabe kondensiert. Das dabei ent ^¬ stehende Kondensat wird mit der Kondensatleitung 12 der Kondensatsammelleitung 13 zugeführt. In Abhängigkeit des Druckniveaus des Prozessdampfs am Ein ^¬ tritt des Zusatzvorwärmers 19 und der sich daraus ergebenden Vorwärmung für das Speisewasser am Austritt des Zusatzvorwärmers 19 in der Speisewasservorwärmungsleitung 21 bzw. die sich daraus ergebende Vermischung des Speisewassers in dem stromab liegenden Abschnitt der Speisewasserzuführleitung 3 ist das Dreiwegeventil 20 entsprechend zu betätigen.