DE102009021924B4

DE102009021924B4 - Verfahren zur Primärregelung einer Dampfturbinenanlage

Info

Publication number: DE102009021924B4
Application number: DE200910021924
Authority: DE
Inventors: Reinhard Johannes Severin Cloppenburg; Olaf BERKE; Franz-Josef HÖLY; Karsten MÜLLER
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Arabelle Solutions France Fr
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: US20100293948A1; US8955321B2; DE102009021924A1; JP2010270756A; JP5615035B2; CN101892876B; CN101892876A

Abstract

Verfahren zur Primärregelung einer Dampfturbinenanlage im Netzbetrieb, die wenigstens zwei Druckstufen, eine Hoch- (1) und eine Niederdruckdampfturbinenstufe (3) vorsieht, bei dem zur Bevorratung einer Reserveleistung ein Frischdampfventil (8) längs einer Arbeitsdampfzuführleitung (7) zu wenigstens einer Druckstufe (1) der Dampfturbine gedrosselt betrieben wird, das im Falle einer abnehmenden Netzfrequenz und einer hierdurch erforderlichen Netzfrequenzstützung in einen zumindest minder gedrosselten Zustand überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des aus der Hochdruckdampfturbinenstufe (1) austretenden, teilexpandierten Arbeitsdampfes unmittelbar, das heißt ohne Zwischenerhitzung, in die Niederdruckdampfturbinenstufe (3) zur weiteren Expansion eingeleitet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Primärregelung einer Dampfturbinenanlage im Netzbetrieb, die wenigstens zwei Druckstufen, eine Hoch- und Niederdruckdampfturbinenstufe vorsieht, bei dem zur Bevorratung einer Reserveleistung ein Frischdampfventil längs einer Arbeitsdampfzuführleitung zu wenigstens einer Druckstufe der Dampfturbine gedrosselt betrieben wird, das im Falle einer abnehmenden Netzfrequenz und einer hierdurch erforderlichen Netzfrequenzstützung in einen zumindest minder gedrosselten Zustand überführt wird.
Stand der Technik
Die für das Einspeisen elektrischer Energie an das Versorgungsnetz angeschlossenen Kraftwerke unterliegen für einen störungsfreien Betrieb bestimmten Anforderungen. Dies betrifft insbesondere die sogenannte Primärregelung innerhalb des Netzes, nach der im Sekundenbereich durch die beteiligten Kraftwerke im Falle einer Störung, die sich beispielsweise durch einen Leistungseinbruch und einen damit verbundenen Frequenzeinbruch auszeichnen, zur Wiederherstellung des Normalbetriebes Leistungsreserven aufgebracht und in das Netz eingespeist werden müssen. So gilt es beispielsweise, seitens der Kraftwerke mindestens zwei Prozent der jeweiligen Kraftwerksnennleistung für die Primärregelung in einer Zeitspanne von maximal 30 Sekunden zusätzlich zu aktivieren.
Im Falle von Dampfkraftwerken ist es hierzu üblich, die Einlassventile für jeweilige Dampfturbinenstufen in einer gedrosselten Stellung zu halten, um bei kurzzeitig auftretenden Frequenzabweichungen durch spontanes Öffnen der Einlassventile die Dampfreserve des Dampferzeugers nutzen zu können. Auf diese Weise ist es möglich, bevorratete Leistungsreserven kurzfristig freizusetzen und somit der Frequenzabweichung innerhalb des Netzes entgegenzuwirken. Allerdings geht mit dieser Maßnahme zwangsläufig der Nachteil ständiger Drosselverluste einher.
Neben der Leistungserhöhung durch die Aufhebung oder Abminderung der Androsselurig von Stellventilen ist es auch bekannt, im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine vorgesehene Vorwärmer, die mittels Anzapfdampf aus der Dampfturbine beheizt werden, abzuschalten. Ein gleichzeitig durch die Niederdruckvorwärmer geführter Kondensatstrom kann innerhalb weniger Sekunden gestoppt und wieder erhöht werden. Diese Maßnahme zur schnellen Leistungsregelung in fossil befeuerten Kraftwerksblöcken durch gezieltes Abschalten der Vorwärmer mit Kondensatstopp ist zum Beispiel in der DE 33 04 292 C2 beschrieben.
DE 197 50 125 A1 regt an, die Einlassventile im Normalbetrieb ungedrosselt zu fahren und kleinere Änderungen in der Leistungsabgabe durch Änderungen des Kondensatstroms zu bewirken. Bei größeren Änderungen der Leistungsabgabe, bei denen der Energiegehalt des Kondensatstroms nicht mehr ausreicht, soll hingegen der Dampferzeuger als Energiespeicher genutzt werden, insbesondere durch Wassereinspritzung in den Hochdruckbereich oder durch Änderung des Speisewasserstroms. Generell ist dieser Publikation die Lehre zu entnehmen, die Energiegehalte ausgewählter Energiespeicher der Dampfturbinenanlage und deren zeitliche Änderung laufend zu ermitteln und bedarfsweise in einer vorgegebenen Reihenfolge unter Berücksichtigung definierter Parameter, so der geforderten Höhe der Änderung der Leistungsabgabe, zu aktivieren.
Die Lehre des EP 1 854 964 A1 stellt insbesondere auf ein Verfahren zur kurzfristigen Leistungssteigerung unter Ausnutzung der thermischen Energie des Kessels ab, welches darauf beruht, über eine Hochdruck-Umleitstation aus dem Kessel einen zusätzlichen Dampfstrom abzuziehen und der Hochdruckturbine zur Verfügung zu stellen.
Gemäß dem in DE 10 2008 029 941 A1 vorgestellten Verfahren zur Leistungsregelung einer Dampfturbinenanlage werden vorhandene und eigens einzurichtende Bypassleitungen zur Leistungsregelung herangezogen, dergestalt, dass diese Bypassleitungen mindestens einer Druckstufe der Dampfturbine, also entweder der Hochdruck-, der Mitteldruck- oder der Niederdruckturbinenstufe, parallelgeschaltet sind, und wobei diese parallelgeschalteten Bypassleitungen nur für einen Teilstrom des der jeweiligen Turbinenstufe maximal zulässigen zuführbaren Dampfmassenstroms ausgelegt sind. Im Falle einer geforderten Leistungsminderung oder -steigerung der Dampfturbinenanlage wird in mindestens einer der besagten Bypassleitungen der Massenstrom mehr oder weniger stark gedrosselt.
Aus der älteren Offenlegungsschrift DE 3235557 A1 ist es ganz allgemein bekannt, eine Dampfturbinenanlage mit einem Bypasssystem auszustatten, um im Falle eines plötzlichen Lastabwurfs den im Dampferzeuger hergestellten Dampf zu verwerten. Darüber hinaus erweist sich dieses Bypasssystem bei An- und Abfahrvorgängen der Dampfturbinenanlage als nützlich. Darüber hinausgehende Hinweise zur schnellen Leistungsregelung der Anlage im Normalbetrieb sind in dieser Schrift nicht offenbart.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde ein Verfahren zur schnellen Leistungsregelung einer Dampfturbinenanlage im Netzbetrieb, die wenigstens zwei Druckstufen, eine Hochdruck- und eine Niederdruckdampfturbinenstufe vorsieht, derart weiterzubilden, dass mit einem besonders geringen Aufwand eine zuverlässige und schnelle Leistungsregelung gewährleistet wird.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Lösungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Primärregelung einer Dampfturbinenanlage im Netzbetrieb gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 dadurch aus, dass zumindest ein Teil des aus der Hochdruckdampfturbinenstufe austretenden teilexpandierten Arbeitsdampfes direkt, also ohne Zwischenerhitzung, in die Niederdruck-Dampfturbinenstufe zur weiteren Expansion eingeleitet wird.
Im Gegensatz zur üblichen Betriebsweise von Dampfturbinenanlagen, bei der der teilexpandierte, aus der Hochdruckdampfturbinenstufe austretende Arbeitsdampf einer Zwischenerhitzereinheit zugeführt wird, um als zwischenerhitzter teilexpandierter Dampf der Niederdruck-Dampfturbinenstufe oder einer der Niederdruck-Dampfturbinenstufe vorgeschalteten Mitteldruck-Dampfturbinenstufe zugeführt zu werden, sieht das lösungsgemäße Konzept eine gezielte Umgehung der Zwischenerhitzereinheit vor. In vorteilhafter Weise wird hierdurch eine mit der Zwischenerhitzung verbundene Zeitverzögerung in der Weiterleitung des teilexpandierten Arbeitsdampfes aus der Hochdruckdampfturbinenstufe in die jeweils bei einem niederen Druckniveau betriebene, nachfolgende Dampfturbinenstufe vermieden, so dass im Falle einer erforderlichen Netzfrequenzstützung der durch die Verminderung der Androsselung des Arbeitsdampfes in die Hochdruckturbinenstufe freigesetzte zusätzliche Arbeitsdampf direkt, unmittelbar und ohne Zeitverzögerung nach Austritt aus der Hochdruckturbinendampfstufe in die nachfolgende, bei niederem Arbeitsdruck betriebene Dampfturbinenstufe eingespeist werden kann, so dass mit einem weitaus kürzeren Reaktionsvermögen verglichen zu bisherigen konventionellen Betriebsweise Zusatzdampf und damit verbunden Zusatzleistung zur Netzfrequenzstützung bereitgestellt werden kann. So beträgt die Reaktionszeit von bisher netzfrequenzstützenden Maßnahmen für den spontanen Abruf von Reserveleistung üblicherweise zwischen 3 und 30 Sekunden – dies betrifft die vorstehend genannten Techniken des Kondensatstopps verbunden mit einem Anzapfdampfstopp, sowie der Androsselung von Dampfventilen zur Bevorratung von Reserveleistungen. Mit der lösungsgemäßen Maßnahme kann die vollständige bevorratete Reserveleistung über die Hoch- und Niederdruckdampfturbinenstufe innerhalb von 3 bis 10 Sekunden vollständig abgerufen werden. Durch den kurzfristigen Leistungsabruf kann spontan auftretenden Netzfrequenz-Destabilisierungen mit einer weitaus besseren Effizienz entgegengetreten werden als es mit Mitteln bisheriger Netzfrequenzstützung der Fall ist.
Das lösungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand einer dreistufigen Dampfturbinenanordnung unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung näher erläutert werden.
1 zeigt einen schematisierten Aufbau einer Dampfturbinenanlage umfassend eine Hochdruckturbinenstufe 1, eine Mitteldruckturbinenstufe 2 sowie eine Niederdruckturbinenstufe 3. Sämtliche Turbinenstufen sind längs einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet für den Antrieb eines Generators 5.
Im Normalbetrieb wird die Hochdruckdampfturbine 1 mit Arbeitsdampf aus einem Dampfkessel mit Überhitzer 6 gespeist, wobei der erhitzte Arbeitsdampf über eine Dampfzuleitung 7 mit einem Frischdampfventil 8 in die Hochdruckdampfturbine 1 gelangt. Der aus der Hochdruckdampfturbine 1 teilexpandiert austretende Arbeitsdampf gelangt über eine weiterführende Dampfleitung 9 in eine Zwischenerhitzereinheit 10, in der der teilexpandierte Arbeitsdampf erhitzt und in die Mitteldruckdampfturbine 2 zur weiteren Teilexpansion überführt wird. Schließlich gelangt der aus der Mitteldruckdampfturbine 2 austretende teilexpandierte Dampf in die Niederdruckdampfturbine 3.
Zur Bevorratung von Reserveleistung wird in an sich bekannter Weise das Frischdampfventil 8 angedrosselt, so dass sich stromauf längs der Dampfzuführungsleitung 7 ein erhöhtes Druckniveau einstellt. Wird eine Netzfrequenzstörung im Sinne einer nicht tolerierbaren Frequenzabweichung von der Sollfrequenz, bspw. 50 Hz, festgestellt, so wird im Falle einer festgestellten Unterfrequenz die Androsselung des Frischdampfventils 8 vermindert bis hin zu einer vollständigen Öffnung, so dass die bevorratete Leistungsreserve in Form einer spontan erhöhten Dampfmenge in die Hochdruckdampfturbinenstufe 1 eingespeist werden kann. In diesem Falle wird die aus der Hochdruckdampfturbinenstufe 1 austretende teilexpandierte Dampfmenge teilweise, vorzugsweise vollständig, durch Öffnen einer Ventileinheit 13 längs der Dampfzuführleitung 11 ohne Zwischenüberhitzung in die Niederdruckdampfturbinenstufe 3 geleitet. Aufgrund der unmittelbaren Dampfzuführung zwischen Hochdruckdampfturbinenstufe 1 und Niederdruckdampfturbinenstufe 3 wird weitgehend ohne Zeitverzögerung, bedingt durch den Ausschluss der Zwischenerhitzereinheit 10, die Welle 4 durch die Hoch- und Niederdruckdampfturbinenstufe 1, 3 angetrieben, so dass eine spontane Leistungssteigerung von bis zu 10% am Generator 5 zu Zwecken der Frequenzstützung abgegriffen werden kann.
Tritt hingegen eine Netzstörung im Sinne einer Überfrequenz auf, so lässt sich dieser Störung in an sich bekannter Weise durch eine Leistungsreduzierung der Dampfturbinenanlage in herkömmlicher Weise begegnen.
Bezugszeichenliste

1: Hochdruckdampfturbinenstufe
2: Mitteldruckdampfturbinenstufe
3: Niederdruckdampfturbinenstufe
4: Welle
5: Generator
6: Dampferzeuger mit Überhitzer
7: Dampfzuführleitung
8: Frischdampfventil
9: Dampfleitung
10: Zwischenerhitzereinheit
11: Dampfzuführleitung
12: Abfangventil
13: Ventileinheit

Claims

Verfahren zur Primärregelung einer Dampfturbinenanlage im Netzbetrieb, die wenigstens zwei Druckstufen, eine Hoch- (1) und eine Niederdruckdampfturbinenstufe (3) vorsieht, bei dem zur Bevorratung einer Reserveleistung ein Frischdampfventil (8) längs einer Arbeitsdampfzuführleitung (7) zu wenigstens einer Druckstufe (1) der Dampfturbine gedrosselt betrieben wird, das im Falle einer abnehmenden Netzfrequenz und einer hierdurch erforderlichen Netzfrequenzstützung in einen zumindest minder gedrosselten Zustand überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des aus der Hochdruckdampfturbinenstufe (1) austretenden, teilexpandierten Arbeitsdampfes unmittelbar, das heißt ohne Zwischenerhitzung, in die Niederdruckdampfturbinenstufe (3) zur weiteren Expansion eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebsfall eines gedrosselten Frischdampfventils (8) zur Bevorratung der Reserveleistung der aus der Hochdruckdampfturbinenstufe (1) teilexpandiert austretende Arbeitsdampf über eine Zwischenerhitzereinheit (10) geführt wird zum Erhalt eines zwischenerhitzten, teilexpandierten Arbeitsdampfes, der einer Mitteldruckdampfturbineneinheit (2) und im Anschluss daran einer Niederdruckdampfturbinenstufe (3) zugeführt wird, und dass im Falle der Netzfrequenzstützung wenigstens ein Teil des aus der Hochdruckdampfturbinenstufe (1) teilexpandiert austretenden Arbeitsdampfes über eine Bypassleitung (11) in die Niederdruckdampfturbine (3) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Bypassleitung (11) eine Ventileinheit (13) vorgesehen ist, die ausschließlich im Falle der Netzfrequenzstützung geöffnet wird.