NL8006051A - Inrichting en werkwijze voor het regelen van stoomturbinetemperaturen bij werking met omloopstoom. - Google Patents

Description

t * P & c

W 2348-1099 Ned.dB/LvD

Inrichting en werkwijze voor het regelen van stoomturbinetemperaturen bij werking met omloopstoom.

Se uitvinding heeft betrekking op stoomturbines, welke kunnen werken met omloopstoom, en in het bijzonder in een inrichting en werkwijze 5 voor de regeling van de stoomstroom waardoor bij werking met omloopstoom oververhitting en te grote warmtespanningen van de turbinedelen worden vermeden, welke anders ontstaan door verwarming wegens rotatieverliezen.

Bij de werking met omloopstoom van een grote stoomturbine van het type voor publieke electriciteitsbedrijven, worden systemen met om-10 loopkleppen gebruikt voor het aftappen van stoom, zodat deze om delen van de: turbine heen stroomt wanneer de belastingvraag zodanig is, dat de ketel meer stoom produceert dan nodig is om te voldoen aan de gevraagde belasting. Het hoofdvoordeel van het werken met omloopstoom is, dat de ketel op volle capaciteit kan werken, onafhankelijk van de stoomvraag 15 van de turbine, die op zijn beurt afhankelijk is van de vraag naar electrische energie. Andere voordelen van het gebruik van omloopstoom zijn de mogelijkheid snel veranderingen in.de gevraagde belasting te kunnen volgen, de turbine sneller te kunnen starten en overbelasting van de ketel te voorkomen bij een plotselinge belastingdaling.

20 Een probleem bij het werken met omloopstoom, waarvoor deskundigen reeds een oplossing hebben gezocht, is de temperatuurstijging, welke kan optreden in de turbinedelen als gevolg van verwarming door rotatie-verliezen bij onbelast en met lage belasting werken van de turbine, door welke temperatuurstijging schade aan de turbine kan ontstaan. Deze ver-25 warming, die ook vaak wordt genoemd verwarming door pompverliezen, wordt veroorzaakt door de wrijving tussen de stoom en de turbine-rotorschoepen, die optreedt met synchrone of bij benadering synchrone snelheden.

De verwarming is sterk bij werking met omloopstoom door de hoge tegendruk die ontstaat door de stroming van de omloopstoom en door de relatief 30 geringe stoomstroming, die door de turbine heen moet bewegen bij zeer geringe belasting. De ernst van het probleem hangt af van de berekende capaciteit van de turbine. Hoe groter de capaciteit is, des te groter 4 worden waarschijnlijk de turbinetemperaturen bij lage belasting.

Pompverliezen aan het uitlaateinde van het hogedruk- of HD-deel van een 35 turbine, kunnen de temperatuur zo hoog doen stijgen, dat de turbine wordt onderworpen aan He grote warmtespanningen, waardoor permanente beschadigingen optreden.

Het probleem wordt nog versterkt doordat, wanneer de turbine zwaarder fjS wordt belast, en daardoor meer stoom uit het omloopsysteem opneemt, e 40 de pompverliezen sterk teruglopen, zodat de turbine in feite wordt gekoeld \ -80 0 605 1 - 2 - door de toenemende stoomstroom. Deze plotselinge omkering van de temperatuur-beweging veroorzaakt een zware en plotselinge belasting van het turbine -metaal en kan blijvende vervorming of scheuren daarvan veroorzaken.

Met de tegenwoordige tendens naar grotere eenheden voor krachts-5 opwekking, die een groter rendement hebben, en door de vergrote belangstelling voor het werken met omloopstoom, is sterk gezocht naar oplossingen voor de verwarming door rotatieverliezen. Een geheel bevredigende oplossing is echter nog niet gevonden.

Een eerdere poging tot oplossing van het probleem is beschreven 10 in het Amerikaanseoctrooischrift 4,132.076. Daarbij heeft men een vrij uitgebreid en tamelijk ingewikkeld terugkoppel-regelsysteem ontworpen, waardoor men een grotere hoeveelheid stoom doet stromen door het HD-deel van de turbine dan door de lagedruk-delen (LD-delen). Het betreffende regelsysteem heeft een sub-systeem dat de stoom-omloopkleppen en de stoom-15 toelaatkleppen regelt bij lage belasting of onbelaste toestand, en een tweede sub-systeem, dat de regeling verzorgt bij hogere belasting.

Hoewel hiermee accepteerbare middelen zijn verkregen voor het behandelen van het probleem van de verwarming door rotatieverliezen, heeft men behoefte aan een andere en eenvoudigere werkwijze en inrichting.

20 Het doel van de onderhavige uitvinding is daarom het verschaffen van een eenvoudige en bevredigende oplossing voor het genoemde probleem.

De werkwijze en inrichting volgens de uitvinding beperken en regelen de verwarming door rotatieverliezen doordat een deel van de HD-omloopstoom wordt toegelaten aan de delen met lagere druk van de turbine en wel in voldoen-25 de hoeveelheid, zodanig, dat hiermee het aandrijfmedium voor het drijven van de turbine wordt verkregen. Tegelijk wordt een tweede gedeelte van de om het HD-deel gevoerde omloopstoom toegelaten aan de HD-delen van de turbine en wel in tegenstroom, zodat deze stoom door deze delen terugstroomt. Met andere woorden, de turbine wordt geheel gedreven door het gedeelte van de HD-omloop-30 stoom dat wordt toegelaten aan de delen met lagere druk van de turbine, terwijl een tweede deel van de HD-omloopstoom in tegenstroom wordt toegelaten aan het HD-deel van de turbine, waardoor een rem- en koelwerking wordt verkregen.

De stromen kunnen in evenredigheid met elkaar worden gebracht, teneinde oververhitting te voorkomen, zowel in het HD-deel als in de LD-delen van de 35 turbine.

Een tegenstroomklep wordt aangebracht voor het toelaten van de tegenstoom of koelstoom aan het HD-deel van de turbine, en een ventileerklep voor het uitlaten van de koelstoom naar de omgeving of naar een met de 1 turbine verbonden condensor.

1 40 Wanneer de belasting van de turbine is toegenomen tot het punt, \ 8006051 - 3 - waarbij de stoomstroom in de voorwaartse richting in het HD-deel kan plaatsvinden, zonder dat te hoge temperaturen ontstaan, zowel in het HD-deel of in de LD-delen, wordt de ventileerklep gesloten en opent de gebruikelijke regelklep. Deze kiepstandenverandering vindt plaats in 5 een vrij korte tijd, d.w.z. in enkele seconden.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een schema van de inrichting volgens de uitvinding als voorbeeld is weergegeven.

De figuur toont de uitvinding in het kader van een electrische 10 centrale, waarin een ketel 10 stoom levert als drijfmedium voor een turbine 12, bestaande uit een HD-deel 14, eenfcussendrukdeel of IP-deel 16, en een LD-deel 18. De turbinedelen 14, 16 en 18 zijn in de weergegeven uitvoeringsvorm in tandem met elkaar gekoppeld en ook met een electrische generator 20 door een as 22, hoewel ook vele andere opstellingen van 15 de turbineasssen mogelijk zijn.

Wanneer de turbine 12 onder een redelijke belasting werkt en de gehele opbrengst van de ketel 10 kan gebruiken, is de stoomstroombaan als volgt. Van de ketel 10 en de leiding 24 gaat de stoom het HD-deel 14 binnen via de klep 26. Hoewel deze klep schematisch is weergegeven als een 20 enkele klep ter verduidelijking van de uitvinding, bestaat de klep 26 in werkelijkheid uit een aantal kleppen, waardnder de gebruikelijke afsluiters en toelaat-regelkleppen, welke in de praktijk voor de turbinewerking worden gebruikt. Stoom, die wordt uitgelaten uit het HD-deel 14,stroomt door een terugslagklep 28 en een herverhitter 30 voor de stoom naar het 25 IP-deel 16 via de klep 32. Ook deze klep is in werkelijkheid een samenstel ran de gebruikelijke afsluiters en regelkleppen voor de stoomtoevoer naar het IP-deel 16. Stoom, uitgelaten door het IP-deel 16,stroomt door een leiding 34 naar het LD-deel 18 van de turbine 12 en wordt dan uitgelaten naar de condensor 36 en wordt uiteindelijk weer teruggevoerd naar de 30 ketel 10. In elk deel 14, 16 en 18 van de turbine wordt een deel van de energie in de stoom gebruikt voor het drijven van de turbine 12 en zijn belasting, hier de generator 20.

Bij lagere belastingen, telkens wanneer de vraag naar electrische energie van de generator 20 kleiner is en wanneer de ketel 10 meer stoom 35" produceert dan nodig is om te voldoen aan de belastingvraag, wordt het stoomoverschot afgetakt om de turbine 12 heen door een HD-omloopinrichting 38 en een LD-omloopinrichting 40. De HD-omloop- inrichting 38 omvat een HD-omloopklep 42 en een ontoververhitter 44.

Φβ '-ef Het LD-omloopsysteem 40 omvat een omloopklep 46 en een ontoververhitter 1; Q 48. Wanneer wordt gewerkt met omloopstoom, wordt het gedeelte stoom van 1 80 0 60 5 1 - 4 - de ketel 10, dat nodig is voor het HD-deel 14, genomen uit de leiding 24 en wordt de rest om het HD-deel 14 heen gevoerd via de HD-omloopinrichting 38. Deze omloopstoom en de uit het HD-deel 14 uitgelaten stoom komen weer bij elkaar en stromen door de herverhitter 30.

5 De vaade herverhitter 30 komende stoom wordt eveneens verdeeld, waarbij het deel dat nodig is voor het IP-deel 16 en het LD-deel 18 wordt afgenomen via de klep 32, terwijl de rest wordt gevoerd door de omloop-inrichting 40 naar de condensor 36.

Wanneer de turbine werkt met stoomomloop, zoals hierboven is 10 beschreven en wanneer de turbine 12 wordt gestart of telkens wanneer de belasting laag is, wordt de meeste stoom als omloopstoom gebruikt en vrij weinig als drijfmedium voor de turbine 12. Onder deze omstandigheden ontstaat een aanzienlijke tegendruk aan de lage temperatuurzijde van de herverhitter 30 en aan het uitlaateinde van het HD-deel 14.

15 De combinatie van hoge druk en een geringe stoomstroom in het HD-deel 14 doet de verwarming ontstaan door rotatieverliezen, die de turbine 12 kan beschadigen. In deze situatie geven de draaiende turbineschoepen energie af aan de stoom in plaats van dat zij energie daaruit opnemen.

De temperatuur van stoom in het HD-deel 14 kan dan toenemen tot een punt 20 waarbij ±e grote warmtespanningen in de turbine ontstaan.

Volgens de uitvinding wordt nu om dit bezwaar te voorkomen, dat optreedt bij lage belasting en in onbelaste toestand, met inbegrip van het starten van de turbine, de klep 26 gesloten gehouden teneinde de voorwaartse stoomstroom door het HD-deel 14 te voorkomen, waarbij het 25 turbine-vermogen 12 wordt geleverd door de stoom welke wordt toegelaten aan het IP-deel 16 en het LD-deel 18 via de klep 32. Tegelijk staat de tegenstroomklep 50 open en laat een deel toe van de stoom uit de HD-omloopinrichting 38 aan het HD-deel 14, zodat deze stoom in dit deel in tegenstroomrichting stroomt. Ook de ventileerklep 52 staat open 30 voo r het uitlaten van de tegenstoomstroom uit het HD-deel 14 naar de condensor 36. Daar echter de hoeveelheid tegenstoom vrij klein is kan deze eenvoudig naar de omgeving worden uitgelaten zonder belangrijke economische verliezen. De baan van de koelstoom door de tegenstroomklep 50 en de ventileerklep 52 vormt een koelstoomsysteem of subsysteem en 35 kan als zodanig worden aangeduid.

De koelstoom die terugstroomt door het HD-deel 14 verwijdert de warmte ontstaan door rotatieverliezen en voorkomt de mogelijkheid van oververhitting. In de figuur geven pijlen de stoorastroombanen aan wanneer \het koelstoomsysteem wordt gebruikt.

40 Het is duidelijk dat de tegenstroom van de stoom een temperatuur- 8006051 - 5 - gradiënt veroorzaakt ofwel een temperatuurverdeling in het HD-deel 14, die meer de temperatuurverdeling benadert die onder normale belastingsomstandigheden in het HD-deel 14 heerst. Dat wil zeggen, dat wanneer het HD-deel 14 vermogen levert en de stoomstroom in de voorwaartse richting plaats 5 vindt, de tamperatuurgradiënt langs deze stoombaan negatief is. Een soortgelijke gradiënt ontstaat bij tegenstroom en in feite kan de tegenstoom-stroom worden ingesteld voor het wijzigen van de gradiënt. Dit is zeer gunstig, daar de schok van de plotselinge koeling, die anders gepaard gaat met de toenemende stoomstroom wanneer de belasting toeneemt, wordt vermeden.

10 De ontoververhitter 44 koelt de stoom in de HD-omloopinrichting 38 en draagt daardoor bij aan de koelwerking van de tegenstroom.

In een voorkeurs^uitvoeringsvorm volgens de uitvinding wordt de temperatuur in het HD-deel 14 geregeld door het wijzigen van de temperatuur van de koelstoom door regeling van de ontoververhitter 44.

15 In een andere uitvoeringsvorm is de ventileerklep 52 een instelbare of regelbare klep en wordt gebruikt voor het regelen van de stroom tegenstoom en daardoor van de maximum temperatuur en de temperatuur-gradiënt langs het HD-deel 14. In nog een andere uitvoeringsvorm is de tegenstroomklep 50 een instelbare of regelbare klep en regelt de 20 hoeveelheid stoom en de daardoor onstane temperatuur in het HD-deel 14.

Hoewel elke uitvoeringsvorm volgens de uitvinding niet afzonderlijk is weergegeven, zullen voor de de 'deskundige de aanpassingen duidelijk zijn die nodig zijn voor het verkrijgen van deze uitvoeringsvormen.

De lage-druk_delen 16 en 18 van de turbine 12 staan ook bloot 25 aan oververhitting door verwarming ten gevolge van rotatieverliezen bij een zeer kleine stoomstroom. Deze verwarming wordt ook voorkomen door de uitvinding. Dit wordt bereikt door het vergroten van de stoomstroom in de IP- en LD-delen 16 en 18 in zodanige mate als voldoende is voor het verkleinen van de verwarming door rotatieverliezen daarin en het tegen-30 werken van het grotere vermogen, dat ontstaat door de grotere stroming, door het vergroten van de tegenstroom van de stoom in het HD-deel 14.

Daar de tegenstroom een remmende werking heeft op de turbine 12 blijft het netto uitgangsvermogen ongewijzigd.

Werking: 35 Het is nuttig om het starten te beschrijven van de krachtsinstallatie die in de tekening is weergegeven, als verdere beschrijving van de principes en voordelen van de uitvinding.

Wanneer de turbine 12 stilstaat en de ketel 10 een grote hoe-veelheid stoom produceert, wordt de klep 26 gesloten en worden de omloop- \40 kleppen 42 en 46 geopend voor het doen omlopen van alle stoom naar de 8006051 - 6 - condensor 36. Het starten van de turbine 12 begint met het openen van de klep 32, waardoor stoom wordt toegelaten aan de LD-delen 16 en 18, de klep 26 blijft gesloten en het gehele turbinevermogen wordt nu verkregen door de stoom, welke wordt toegelaten aan de LD-delen 16 en 18.

5 Tegelijk wordt ontoververhitte stoom toegelaten aan het HD-deel 14 door de tegenstroomklep 50, welke stoom van achteren naar voren stroomt door de HD-trappen, zodat de pompverliezen worden opgeheven. Deze stroom gaat door een ventileerklep 52 vóór de eerste trap van het HD-deel 14 en wordt van daar gevoerd naar de condensor 36. De tegenstroom van koelstoom 10 neemt toe in temperatuur bij het stromen door het HD-deel 14. De werkelijke temperatuurverdeling kan worden gewijzigd door meer of minder koelstoom toe te laten of bij voorkeur door het wijzigen van de temperatuur van de koelstoom door regeling van de ontoververhitter 44.

Wanneer de belasting van de turbine 12 toeneemt tot het punt 15 waarbij een stoomstroom in de voorwaartse richting door het HD-deel 14 kan worden tot stand gebracht zonder dat te hoge temperaturen ontstaan, hetzij in het HD-deel 14 of in de LD-delen 16 en 18, wordt in betrekkelijk korte tijd, d.w.z. in enkele seconden, de ventileerklep 52 gesloten en de klep 26 geopend. Het openen van de klep 26 is natuurlijk voldoende om 20 voldoende stoom toe te laten aan het HD-deel 14 om te hoge temperaturen te voorkomen.

1 80 0 6 0 5 f

Claims (15)

1. Inrichting voor het regelen van de stoomstroom bij een stoomturbine met herverhitter, met het oog op het beperken van verwarming door rotatieverliezen, welke turbine kan werken met omloopstoom en tenminste één hogedrukdeel, een hogedrukomloopinrichting, tenminste een lagedrukdeel 5 en een lagedrukomloopinrichting heeft, gekenmerkt door een tegenstroomklep (50), waardoor stoom wordt toegelaten aan het HD-deel in tegenstroomrichting; een ventileerklep (52), waardoor stoom stromend in de tegenstroomrichting wordt uitgelaten uit het HD-deel; en door stoomleidingen die de tegenstroomklep (50), het HD-deel en de ventileerklep (52) onderling zodanig verbinden, 10 dat stoom in de tegenstroomrichting door het HD-deel kan stromen.

2, Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stoomleidingen de tegenstroomklep (50) verbinden met de HD-ómloopinrichting voor het toelaten van stoom aan het HD-deel uit de HD-omloopinrichting in de tegenstroomrichting.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een terugslagklep (28) is aangebracht voor het blokkeren van de stoomstroom in de tegenstroomrichting, welke terugslagklep parallel is geschakeld met de tegenstroomklep (50).

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de 20 ventileerklep (52) een instelbare regelklep is, waarmee de grootte van de stoomstroom in de tegenstroomrichting kan worden bepaald.

5. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de HD-omloopinrichting verder organen bevat voor het ontoververhitten van stoom, die stroomt in de omloopinrichting.

6. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tegenstroomklep (50) een regelklep is voor het regelen van de grootte van de stoomstroom in de tegenstroomrichting.

7. Inrichting volgens conclusie 3, verder gekenmerkt door een condensor waaraan stoom, stromend in de tegenstroomrichting, wordt 30 toegevoerd uit het HD-deel voor recirculatie van deï.stoom.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een stoomleiding het HD-deel verbindt met het LD-deel via een stoom-herverhitter, tenminste een regelklep de voorwaartse stroming van de stoom naar het HD-deel regelt en een tussenklep de stroming regelt van 35 stoom naar het LD-deel, terwijl een HD-omloop-sub-inrichting is aangebracht voor het voeren van stoom om het HD-deel heen, welke HD-omloop-sub-inrichting een omloopklep bevat, voor het regelen van de stoomstroom; en een LD-omloop-sub-inrichting is aangebracht voor het voeren van stoom om het | LD-deel heen, welke LD-omloop-sub-inrichting een omloopklep bevat, voor - 8 - het regelen van de stoorastroom; en een koelstoom-subinrichting is aangebracht waarmee stoom kan worden gevoerd in de tegenstroomrichting door het HD-deel, welke koelstoom-subinrichting een tegenstroomklep bevat, waardoor stoom in de tegenstroomrichting kan worden toegelaten 5 aan het HD-deel en aan de ventileerklep, waardoor stoom, stromend in de tegenstroomrichting kan worden afgevoerd uit het HD-deel.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de Hd-omloop-subinrichting ontoververhittingsorganen bevat en de koelstoom-subinrichting is ingericht voor het opnemen van stoom uit de ontoverver-10 hittingsorganen, welke dan in tegenstroomrichting.,door het HD-deel wordt gevoerd.

10. Werkwijze voor het doen werken van een stoomturbine met hetverhitter, ingericht om te werken met omloopstoom, verbonden met een stoomopwekkende inrichting, waarbij de turbine een HD-deel heeft, een

15 HD-omloop^inrichting, tenminste een LD-deel en een LD-omloop^inrichting, ft waarbij de werkwijze is gekenmerkt door de volgende stappen: Het doen omlopen van een stoomstroom van de stoom opwekkende inrichting om het HD-deel heen; het toelaten van een eerste deel van deze omloopstoom aan het LD-deel in de voorwaartse stroomrichting als drijf-20 medium voor het drijven van de turbine; en door het toelaten van een tweede :deel van de omloopstoom aan het HD-deel zodanig, dat dit daar doorheen stroomt in tegenstroomrichting, met het oog op het beperken van verwarming door rotatieverliezen in dit HD-deel.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, verder gekenmerkt door de 25 stap van het ontoververhitten van de omloopstoom voordat het tweede deel daarvan wordt toegelaten aan het HD-deel.

12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, verder gekenmerkt doordat de grootte van de stoomstroom in de tegenstroomrichting wordt geregeld als middel voor het besturen van verwarming door rotatieverliezen in het

30 HD-deel.

13. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, verder gekenmerkt door het regelen van de temperatuur van het tweede deel van de omloopstoom met het oog op het regelen van de verwarming door rotatieverliezen.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, verder gekenmerkt door de 35 stappen van het vergroten van het eerste deel van de omloopstoom tot een waarde waardoor de verwarming van het LD-deel wordt beperkt, en het evenredig vergroten van het tweede deel van de omloopstoom, zodanig dat dit deel een compenserend remeffekt heeft in het HD-deel.

15. Werkwijze volgens conclusie 13, verder gekenmerkt door de \40 stappen va^n het vergroten van het eerste deel van het omloopstoom tot een 8006051 *=» 5 - 9 - waarde, waardoor de verwarming in het LD-deel wordt beperkt, en het evenredig vergroten van het tweede deel van de omloopstoom, zodanig dat een compenserende remwerking in het HD-deel ontstaat, ---++--- \ 8006051 HOLLAND *φ Ί ** ' * Τ 'mii t ir % ra_J Lv>r~ 5 8006051