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Die Erfindung betrifft eine Niederdruckdampfturbinenanlage und ein Betriebsverfahren für eine Niederdruckdampfturbinenanlage.
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Dampfturbinenanlagen dienen der Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Hierzu wird eine Dampfturbine von Dampf durchströmt. Die Dampfturbine wandelt thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie. Die Dampfturbine treibt einen Generator an. Der Generator wandelt mechanische Energie aus der Dampfturbine in elektrische Energie um.
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Große Dampfturbinenanlagen mit Leistungen einiger zehn bis hundert Megawatt arbeiten im Überdruckbereich. D.h. der Dampf besitzt beim Eintritt in die Turbine einen großen Druck von etwa 200 bis 300 bar. Zur Dampferzeugung werden hierbei großtechnische Feuerungsanlagen eingesetzt.
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Hierbei werden konstante Frischdampfparameter angestrebt. Druck- und Temperaturschwankungen werden regelungstechnisch auf ein Minimum begrenzt, um dickwandige Komponenten, wie Ventilkästen und Turbinengehäuse zu schonen. Häufig wird dazu die Dampfturbine in der so genannten Vordruckregelung betrieben. Über mindestens ein Regelventil wird der Massendurchsatz durch die Dampfturbine so variiert, dass der Frischdampfdruck vor der Turbine einem konstanten Sollwert entspricht.
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Durch diese Fahrweise wird das isentrope Enthalpiegefälle zwischen Frischdampf und Abdampf weitestgehend konstant gehalten. Mindestens ein Regelventil befindet sich entweder vor der Turbine oder ist in diese integriert. Durch den Regeleingriff des mindestens einen Ventiles entstehen unweigerlich Drosselungsverluste, die sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirken. Große Kraftwerksturbosätze werden mit einer konstanten Drehzahl betrieben. Das führt dazu, dass der Wirkungsgrad der Turbine bei Teillast schnell abfällt.
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Die Veröffentlichung „Getriebefreie Kleindampfturbine“, VGB PowerTech 4/2008, S. 75-80, beschreibt ein Steuerungskonzept für eine sog. Kleindampfturbine mit einer Leistung von rund 500 kW. Die Dampfturbine wurde von überhitztem Frischdampf mit einem Druck von 16,8 bis 17,6 bar bei 210°C bis 235°C angetrieben. Abdampfseitig herrschte ein Druck von 1,5 bis 4,5 bar. Die Maschinendrehzahl wurde mittels eines Frequenzumrichters vom elektrischen Netz entkoppelt. Es wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen vorgenommen, bei welcher Drehzahl die Turbine und die Gesamtanlage ihren jeweils höchsten Wirkungsgrad erreichen, wenn die Leistung vorgegeben ist.
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Aus der
DE 10 2012 024 526 A1 ist ein solarthermisches Wärmespeicherkraftwerk bekannt geworden. Die Solarstrahlung erwärmt in Solarkollektoren ein Medium eines Primärkreislaufs, von wo es in Wärmespeicher gelangt. Über einen Sekundärkreislauf wird Wärmeträgermedium des Sekundärkreislaufs Dampferzeugern zugeführt. Mindestens einer der Dampferzeuger ist als Entspannungsverdampfer mit einem Absolutdruck von unter 1 bar ausgeführt. Zur Absaugung von nicht kondensierbaren Gasen ist an einem Kondensator eine Vakuumpumpe vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfturbinenanlage anzugeben, die einfach aufgebaut ist, und die über einen breiten Bereich von Betriebsparametern sicher betrieben werden kann. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen sicheren Betrieb einer Dampfturbinenanlage bei unterschiedlichen Betriebsparametern anzugeben.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Niederdruckdampfturbinenanlage gemäß Anspruch 1 und ein Betriebsverfahren gemäß Anspruch 11. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäße Niederdruckdampfturbinenanlagen
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Erfindungsgemäß ist eine Niederdruckdampfturbinenanlage vorgesehen. Unter einer Niederdruckdampfturbinenanlage wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Dampfturbinenanlage verstanden, bei der ein dampfseitiger Systemdruck im Betrieb unterhalb des Umgebungsdrucks, d.h. unterhalb von 1 bar, liegt. Die erfindungsgemäße Niederdruckdampfturbinenanlage weist einen Entspannungsverdampfer auf. Der Entspannungsverdampfer dient zum Verdampfen von flüssigem Wärmeträgermedium, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird, wobei der Druck in dem Entspannungsverdampfer unter dem Umgebungsdruck liegt. Im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage liegt der Druck im Entspannungsverdampfer unter dem Umgebungsdruck, d.h. unterhalb von 1 bar. Durch das Absenken des Drucks kann flüssiges Wärmeträgermedium, z.B. Wasser, bei einer niedrigeren Temperatur verdampft werden als bei Umgebungsdruck. Dadurch wird ein Einsatzbereich für vergleichsweise geringe Heizleistungen, etwa im Bereich der Solarthermie oder der Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen erschlossen. Das flüssige Wärmeträgermedium ist derselbe Stoff wie das dampfförmige Fluid; dieser Stoff liegt als Wärmeträgermedium im flüssigen Aggregatzustand vor und als Fluid dampfförmig, d.h. im gasförmigen Aggregatzustand.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist ferner eine Dampfturbine auf. Eine Zuleitung der Niederdruckdampfturbinenanlage verbindet den Entspannungsverdampfer fluidisch mit der Dampfturbine. Das im Entspannungsverdampfer erzeugte dampfförmige Fluid kann über die Zuleitung der Dampfturbine zugeführt werden. Die Dampfturbine wandelt thermische Energie des Dampfes (dampfförmigen Fluids) in mechanische Energie um. Weiter weist die Niederdruckdampfturbinenanlage einen Generator auf, der mit der Dampfturbine gekoppelt ist. Der Generator wandelt von der Dampfturbine bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie um. Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist ferner eine Leistungselektronik auf. Die Leistungselektronik dient zum Anschließen des Generators an einen Verbraucher und/oder ein Stromnetz.
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Weiterhin weist die Niederdruckdampfturbinenanlage einen Kondensator auf. Der Kondensator dient zum Kondensieren des im Betrieb aus der Dampfturbine austretenden dampfförmigen Fluids, sodass flüssiges Wärmeträgermedium erhalten wird, wobei der Druck in dem Kondensator unter dem Umgebungsdruck liegt. Das in der Dampfturbine entspannte Fluid wird im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage bei einem Druck, der noch unterhalb des Drucks im Entspannungsverdampfer liegt, kondensiert. Eine Ableitung der Niederdruckdampfturbinenanlage verbindet die Dampfturbine fluidisch mit dem Kondensator.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist einen Vakuumbrecher auf, der stromabwärts eines Turbinenrades der Dampfturbine angeordnet ist. Der Vakuumbrecher kann am Kondensator oder an der Ableitung oder an der Dampfturbine stromabwärts des Turbinenrads angeordnet sein. Im geöffneten Zustand des Vakuumbrechers kann stromabwärts des Turbinenrades Umgebungsluft in die Niederdruckdampfturbinenanlage einströmen. Die Dampfturbine kann dadurch abgebremst oder angehalten werden.
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Schließlich weist die Niederdruckdampfturbinenanlage eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die elektrische Belastung des Generators durch die Leistungselektronik zu verändern und den Vakuumbrecher zu öffnen. Die Leistungselektronik umfasst vorzugsweise einen Einspeiseumrichter, d.h. eine Kombination aus Gleich- und Wechselrichter. Das Verändern der Belastung des Generators erlaubt die Anpassung der Niederdruckdampfturbinenanlage an unterschiedliche Betriebszustände. Insbesondere kann die Steuereinheit, dazu eingerichtet sein, die Belastung so einzustellen, dass die Drehzahl der Dampfturbine einen Sollwert für den vorliegenden Betriebszustand annimmt. Auf diese Weise kann der Bereich von Betriebszuständen, innerhalb dem die Niederdruckdampfturbinenanlage effizient, d.h. insbesondere mit einem großen Wirkungsgrad der Dampfturbine, betrieben werden kann, erweitert werden. Der Betriebszustand kann insbesondere eine oder mehrere der Größen Druck in der Zuleitung, Druck in der Ableitung, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Zuleitung und/oder in dem Entspannungsverdampfer, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Ableitung und/oder in dem Kondensator umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebszustand die Größen Enthalpie des Fluids in der Zuleitung und/oder Enthalpie des Fluids in der Ableitung umfassen.
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Da der dampfseitige Systemdruck stets unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, ist die erfindungsgemäße Niederdruckdampfturbinenanlage inhärent sicher. Ein Austritt von dampfförmigem Fluid ist aufgrund des Unterdrucks relativ zur Umgebung nicht möglich. Daher kann auf den Einsatz von Sicherheitsorganen vor oder an der Dampfturbine vollständig verzichtet werden. Zusätzlich erlaubt die Steuereinrichtung einen Betrieb in sog. wärmegeführter Gleitdruckfahrweise, d.h. der Druck stromaufwärts des Turbinenrades der Dampfturbine ist variabel. Durch die veränderliche Belastung des Generators in Verbindung mit der variablen Drehzahl der Dampfturbine kann vollständig auf Regelorgane vor oder an der Dampfturbine verzichtet werden. Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist vorzugsweise stromaufwärts des Turbinenrades keine Organe zur Beeinflussung eines Volumenstroms oder Massenstroms des Dampfs auf. Dadurch kann die Niederdruckdampfturbinenanlage besonders einfach aufgebaut sein.
Insbesondere weist die Niederdruckdampfturbinenanlage keine Schnellschlussklappen oder Schnellschlussventile und keine Regelklappen oder Regelventile auf. Druckverluste vor der Dampfturbine werden durch den Verzicht auf Sicherheits- und Regelorgane auf ein Minimum reduziert, was sich positiv auf den Anlagenwirkungsgrad auswirkt.
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Die erfindungsgemäße Niederdruckdampfturbinenanlage wird vorzugsweise mit einem unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebsverfahren betrieben. Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen und/oder das Betriebsverfahren entsprechend zu steuern.
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Vorzugsweise sind das Turbinenrad der Dampfturbine und ein Rotor des Generators auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dies erlaubt einen kompakten und einfachen Aufbau der Niederdruckdampfturbinenanlage. Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann eine erste Lagerstelle für die Welle zwischen dem Rotor und dem Turbinenrad und eine zweite Lagerstelle für die Welle jenseits des Rotors aufweisen. Vorzugsweise ist keine weitere Lagerstelle vorgesehen. Das Turbinenrad ist mithin fliegend gelagert.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann weiterhin eine Evakuierungseinrichtung aufweisen. Mittels der Evakuierungseinrichtung kann ein Druck in dem Entspannungsverdampfer, der Dampfturbine, dem Kondensator, der Zuleitung und der Ableitung unter den Umgebungsdruck gesenkt werden. Insbesondere kann der Druck im Entspannungsverdampfer unter den Siededruck des flüssigen Wärmeträgermediums gesenkt werden. Dadurch kann die Niederdruckdampfturbinenanlage angefahren werden. Vorzugsweise weist die Evakuierungseinrichtung eine Vakuumpumpe auf. Besonders bevorzugt ist die Evakuierungseinrichtung am Kondensator angeordnet.
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Vorzugsweise weist die Niederdruckdampfturbinenanlage weiterhin einen Bremswiderstand auf. Die Steuereinheit ist typischerweise dazu eingerichtet, elektrische Energie aus dem Generator in dem Bremswiderstand in Wärme umzuwandeln, wenn ein Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, im Falle einer Notabschaltung oder wenn die maximal zulässige Systemleistung erreicht ist, elektrische Energie aus dem Generator in den Bremswiderstand zu leiten. Vorzugsweise wird die so erzeugte Wärme zurück in einen Wärmespeicher eingebracht.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann weiterhin eine Vorlaufpumpe aufweisen, um flüssiges Wärmeträgermedium in den Entspannungsverdampfer zu fördern, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Förderleistung der Vorlaufpumpe zu verändern. Durch Variieren der Förderleistung kann die thermische Energie, die der Dampfturbine zur Verfügung steht, bzw. die in der Dampfturbine umsetzbare Leistung, verändert werden. Auch auf diese Weise kann die Drehzahl der Dampfturbine verändert werden. Zum Abschalten der Niederdruckdampfturbinenanlage kann die Vorlaufpumpe ausgeschaltet werden. Die Förderleistung kann ein Volumenstrom sein.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in der Steuereinheit ein Kennfeld hinterlegt ist, welches einen Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage mit einem Sollwert einer Drehzahl der Dampfturbine verknüpft. Der Betriebszustand kann eine oder mehrere der Größen Druck in der Zuleitung, Druck in der Ableitung, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Zuleitung und/oder in dem Entspannungsverdampfer, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Ableitung und/oder in dem Kondensator umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebszustand die Größen Enthalpie des Fluids in der Zuleitung und/oder Enthalpie des Fluids in der Ableitung umfassen. Die Steuereinheit ist typischerweise dazu eingerichtet, die Drehzahl der Dampfturbine auf den Sollwert zu regeln. Dazu kann die Steuereinheit die Belastung des Generators variieren, elektrische Energie in einen Bremswiderstand leiten und/oder den Vakuumbrecher zeitweise öffnen. Durch die im Kennfeld hinterlegten Sollwerte kann ein möglichst großer Wirkungsgrad der Niederdruckdampfturbinenanlage, insbesondere der Dampfturbine, für einen breiten Bereich von Betriebszuständen erreicht werden.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann weiterhin eine Rückführeinrichtung aufweisen, um flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator in den Entspannungsverdampfer zurückzuführen. Dadurch kann ein Kreisprozess eingerichtet werden. Die Rückführeinrichtung weist typischerweise eine Kondensatpumpe auf, die das kondensierte Wärmeträgermedium in einen Wärmespeicher und/oder eine Heizvorrichtung, z.B. einen solarthermischen Wärmeerzeuger fördert. Von dort wird das Wärmeträgermedium wieder in den Entspannungsverdampfer gefördert, beispielsweise mittels einer Vorlaufpumpe.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Generator stromaufwärts der Dampfturbine innerhalb der Zuleitung angeordnet ist. Der Generator wird dann durch den die Dampfturbine antreibenden Dampf automatisch und ohne zusätzliche Einrichtungen gekühlt.
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Vorzugsweise ist ein Stator des Generators in einem Innengehäuse angeordnet. Das Innengehäuse ist vorzugsweise innerhalb der Zuleitung angeordnet. Das Innengehäuse umgibt den Stator in Umfangsrichtung, insbesondere ringförmig. Das Innengehäuse ist vorzugsweise an der Zuleitung abgestützt. Typischerweise ist auch der Rotor innerhalb des Innengehäuses angeordnet, insbesondere innerhalb des Stators. Das Innengehäuse kann außenseitig Kühlrippen aufweisen. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeübertragung auf das strömende Fluid und eine stärkere Kühlung des Generators erreicht werden.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist vorzugsweise weiterhin einen Wärmespeicher und/oder einen solarthermischen Wärmeerzeuger auf. Dies ermöglicht die Bereitstellung von vorgewärmtem Wärmeträgermedium. Dadurch wird die thermische Energie des verdampften Wärmeträgermediums, d.h. des dampfförmigen Fluids erhöht.
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Erfindungsgemäße Betriebsverfahren
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Erfindungsgemäß ist ein Betriebsverfahren für eine Niederdruckdampfturbinenanlage vorgesehen. Die Niederdruckdampfturbinenanlage weist Folgendes auf:
- - einen Entspannungsverdampfer,
- - eine Dampfturbine,
- - einen Kondensator,
- - einen Generator, der von der Dampfturbine angetrieben wird,
- - ein Leitungssystem, das den Entspannungsverdampfer über eine Zuleitung, die Dampfturbine und eine Ableitung mit dem Kondensator verbindet, und
- - einen Vakuumbrecher, der stromabwärts eines Turbinenrades der Dampfturbine angeordnet ist.
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Das Betriebsverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Evakuieren des Leitungssystems, sodass der Druck in dem Leitungssystem überall unter dem Umgebungsdruck liegt und sodass Wärmeträgermedium in dem Entspannungsverdampfer verdampft,
- b) Verändern der elektrischen Belastung des Generators,
- c) Öffnen des Vakuumbrechers.
Die Schritte b) und c) können gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander durchgeführt werden.
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Mit Hilfe von Schritt a) kann die Niederdruckdampfturbinenanlage in Betrieb gesetzt werden. Zum Anfahren der Niederdruckdampfturbinenanlage wird der innere Systemdruck, vorzugsweise über eine Evakuierungseinrichtung, unter den Umgebungsdruck abgesenkt. Nicht kondensierbare Stoffe, wie zum Beispiel Gase (Luft), werden so aus dem System entfernt. Der Systemdruck wird soweit abgesenkt, bis das Wärmeträgermedium entsprechend seiner Temperatur den Dampfdruck erreicht, zu sieden beginnt und im Entspannungsverdampfer Sattdampf entsteht.
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Mit den Schritten b) und c) kann der Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage gesteuert und/oder beendet werden.
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Im Schritt b) kann die Drehzahl der Dampfturbine und des mit ihr gekuppelten Generators an das zur Verfügung stehende isentrope Enthalpiegefälle angepasst werden. Die Anpassung der Drehzahl erfolgt durch Belasten bzw. Entlasten des Generators über die Leistungselektronik, die dem Generator stromseitig nachgeschaltet ist. Dadurch kann die Drehzahl veränderlichen Randbedingungen (Betriebszuständen), wie sie z.B. durch einen Temperaturrückgang in einem Wärmespeicher, durch den Tagesgang der Sonneneinstrahlung und/oder durch eine Druckänderung im Kondensator verursacht werden, angepasst werden.
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Der Vakuumbrecher ist typischerweise das einzige mechanische Sicherheitsorgan der Niederdruckdampfturbinenanlage. Sollte die Belastung des Generators nicht weiter gesteigert werden können, beispielsweise weil der Regelbereich einer Leistungselektronik ausgeschöpft ist, und die Drehzahl weiter steigen oder eine maximal zulässige Systemleistung erreicht sein, wird im Schritt c) der Vakuumbrecher geöffnet. Dadurch strömt Umgebungsluft in das Leitungssystem der Niederdruckdampfturbinenanlage ein. Die eingeströmte Luft kann im Kondensator nicht kondensiert werden. Dadurch steigt der Druck stromabwärts des Turbinenrades und das der Dampfturbine zur Verfügung stehende isentrope Enthalpiegefälle wird kleiner. Dadurch sinkt die Drehzahl der Dampfturbine und des mit ihr gekuppelten Generators, bis der gesamte Prozess zum Erliegen kommt. Durch kurzzeitiges Öffnen des Vakuumbrechers kann das isentrope Enthalpiegefälle dosiert abgesenkt werden, sodass die Drehzahl der Dampfturbine gesenkt wird, der Prozess aber nicht zum Erliegen kommt, sondern mit verringerter Leistung weiterläuft.
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren wird vorzugsweise an einer oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Niederdruckdampfturbinenanlage du rchgefüh rt.
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Das Betriebsverfahren kann den weiteren Schritt d) aufweisen:
- d) Verändern einer Verdampfungsrate in dem Entspannungsverdampfer, insbesondere durch Verändern eines Volumenstroms von in den Entspannungsverdampfer fließendem flüssigem Wärmeträgermedium. Dadurch kann auf die thermische Energie und/oder den Massenstrom des verdampften Wärmeträgermediums/Fluids eingewirkt werden. Dies erlaubt es, die Leistung der Dampfturbine zu beeinflussen. Zum Verändern der Verdampfungsrate kann eine Förderleistung einer Vorlaufpumpe, die flüssiges Wärmeträgermedium in den Entspannungsverdampfer fördert, verändert werden. Der Schritt d) kann gleichzeitig mit oder in beliebiger Folge vor oder nach den Schritten b) und c) durchgeführt werden. Die Schritte b), c) und/oder d) können wiederholt durchgeführt werden.
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Vorzugsweise wird im Rahmen des Betriebsverfahrens die Drehzahl der Dampfturbine verändert. Hierzu dienen die Schritte b), c) und/oder d). Vorzugsweise wird die Drehzahl der Dampfturbine in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage verändert. Dies erlaubt es, die Niederdruckdampfturbinenanlage in einem breiten Bereich von Betriebszuständen effizient, d.h. insbesondere mit einem großen Wirkungsgrad der Dampfturbine, zu betreiben. Der Betriebszustand kann eine oder mehrere der Größen Druck in der Zuleitung, Druck in der Ableitung, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Zuleitung und/oder in dem Entspannungsverdampfer, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Ableitung und/oder in dem Kondensator umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebszustand die Größen Enthalpie des Fluids in der Zuleitung und/oder Enthalpie des Fluids in der Ableitung umfassen. Dies erlaubt eine vom Betriebszustand abhängige Steuerung der Niederdruckdampfturbinenanlage. Besonders bevorzugt wird die Drehzahl der Dampfturbine auf einen Sollwert geregelt wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Niederdruckdampfturbinenanlage, insbesondere der Dampfturbine, für den jeweiligen Betriebszustand optimiert werden. Der Sollwert kann, insbesondere über ein Kennfeld, aus einem Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage abgeleitet werden. Das Kennfeld kann in einer Steuereinheit der Niederdruckdampfturbinenanlage hinterlegt sein. Für unterschiedliche Betriebszustände sind im Allgemeinen unterschiedliche Sollwerte der Drehzahl hinterlegt. Derselbe Sollwert der Drehzahl kann einer - typischerweise kleinen - Anzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen zugeordnet sein.
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In dem Betriebsverfahren kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig der Vakuumbrecher geöffnet wird, ein Volumenstrom von in den Entspannungsverdampfer fließendem flüssigem Wärmeträgermedium verringert wird, insbesondere auf null verringert wird, und elektrische Energie aus dem Generator in einem Bremswiderstand der Niederdruckdampfturbinenanlage in Wärme umgesetzt wird. Dadurch kann die Niederdruckdampfturbinenanlage besonders schnell abgeschaltete werden. Diese Variante des Betriebsverfahrens entspricht einer Schnellabschaltung oder Notabschaltung der Niederdruckdampfturbinenanlage.
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Für weitere Merkmale der Niederdruckdampfturbinenanlage und des Betriebsverfahrens wird auf die
DE 10 2018 209 177.3 Bezug genommen. Insbesondere können Merkmale des in der
DE 10 2018 209 177.3 beschriebenen Turbosatzes und der in der
DE 10 2018 209 177.3 beschriebenen Niederdruckdampfturbinenanlage bei der vorliegenden Niederdruckdampfturbinenanlage zusätzlich vorgesehen sein. Das hier beschriebene Betriebsverfahren für eine Niederdruckdampfturbinenanlage kann zusätzlich Merkmale eines Betriebsverfahrens für einen Turbosatz gemäß der
DE 10 2018 209 177.3 aufweisen. Die Vorteile des Betriebsverfahrens, des Turbosatzes und der Niederdruckdampfturbinenanlage gemäß
DE 10 2018 209 177.3 können somit hier nutzbar gemacht werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Niederdruckdampfturbinenanlage mit einem Entspannungsverdampfer, einer Dampfturbine, einem Generator und einem Kondensator, in einer symbolischen Darstellung;
- 2 eine Niederdruckdampfturbinenanlage wie in 1, weiterhin aufweisend einen solarthermischen Wärmeerzeuger, in einer symbolischen Darstellung;
- 3 eine Niederdruckdampfturbinenanlage wie in 1, weiterhin aufweisend einen Wärmespeicher, in einer symbolischen Darstellung;
- 4 eine Niederdruckdampfturbinenanlage wie in 3, weiterhin aufweisend einen solarthermischen Wärmeerzeuger, in einer symbolischen Darstellung;
- 5 eine Dampfturbine und einen Generator für eine Niederdruckdampfturbinenanlage, wobei der Generator stromaufwärts eines Turbinenrades der Dampfturbine in einer Zuleitung angeordnet ist, in einem schematischen Längsschnitt;
- 6 einen Ablaufplan eines Betriebsverfahrens für den Normalbetrieb einer Niederdruckdampfturbinenanlage;
- 7 einen Ablaufplan eines Betriebsverfahrens für eine Schnellabschaltung einer Niederdruckdampfturbinenanlage.
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1 zeigt eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10 in einer symbolischen Darstellung.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 weist einen Entspannungsverdampfer 12 auf. In dem Entspannungsverdampfer 12 wird im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 flüssiges Wärmeträgermedium 14, hier Wasser, bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks verdampft. Durch die Verdampfung des flüssigen Wärmeträgermediums 14 wird dampfförmiges Fluid erhalten.
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Das dampfförmige Fluid wird durch eine Zuleitung 16 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 zu einer Dampfturbine 18 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 geleitet. Die Zuleitung 16 verbindet den Entspannungsverdampfer 12 fluidisch mit der Dampfturbine 18. Die Dampfturbine 18 ist mechanisch mit einem Generator 20 gekoppelt. Der Generator 20 wird von der Dampfturbine 18 angetrieben. Der Generator kann eine Nennleistung von wenigstens 50 kW aufweisen. Typischerweise besitzt der Generator eine Nennleistung von höchstens 500 kW, bevorzugt höchstens 300 kW, besonders bevorzugt höchstens 200 kW, ganz besonders bevorzugt höchstens 100 kW. Der Generator 20 kann innerhalb der Zuleitung 16 stromaufwärts der Dampfturbine 18 angeordnet sein, vgl. 5. Das Fluid strömt dann zunächst an dem Generator 20 vorbei und wird sodann durch die Dampfturbine 18 geleitet. Beim Vorbeiströmen am Generator 20 kann das Fluid diesen kühlen.
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Im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 wandelt die Dampfturbine 18 thermische Energie des Fluids in mechanische Energie um. Von der Dampfturbine 18 bereitgestellte mechanische Energie wird von dem Generator 20 in elektrische Energie umgewandelt. Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 weist eine Leistungselektronik 22 auf, über die der Generator 20 an einen Verbraucher und/oder ein Stromnetz angeschlossen werden kann. Die Leistungselektronik 22 umfasst typischerweise einen Einspeiseumrichter mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter. Der Wechselrichter wandelt den von dem Generator 20 erzeugten, typischerweise hochfrequenten, Wechselstrom, in Gleichstrom um. Der Gleichstrom kann in einem Zwischenkreis des Einspeiseumrichters fließen. Der Wechselrichter erzeugt aus dem Gleichstrom Wechselstrom zum Einspeisen in ein Stromnetz oder zum Versorgen eines Verbrauchers. Der vom Wechselrichter erzeugte Wechselstrom weist grundsätzlich die am Einsatzort der Niederdruckdampfturbinenanlage übliche Frequenz und Spannung auf, beispielsweise 50 Hz und 230 V in Europa.
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Eine Steuereinheit 24 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 ist dazu eingerichtet, die Belastung des Generators 20 durch die Leistungselektronik 22 zu verändern. Die in der Dampfturbine 18 umgesetzte Leistung wird im Wesentlichen durch den Druck des dampfförmigen Fluids vor und hinter der Dampfturbine 18 und den Massenstrom des dampfförmigen Fluids bestimmt. Die von der Dampfturbine 18 bereitgestellte mechanische Energie wird vom Generator 20 in elektrische Energie und Wärme umgesetzt. Wenn die von dem Generator 20 abgegebene elektrische Leistung der von der Dampfturbine 18 abgegebenen mechanischen Leistung abzüglich eines Umwandlungsverlusts im Generator 20 entspricht, bleibt die Drehzahl der Dampfturbine 18 konstant. Wenn die vom Generator 20 abgegebene elektrische Leistung kleiner ist als die von der Dampfturbine 18 abgegebene mechanische Leistung abzüglich eines Umwandlungsverlusts im Generator 20, steigt die Drehzahl der Dampfturbine 18 an. Wenn dem Generator 20 (kurzzeitig) mehr elektrische Leistung abverlangt wird, als es der von der Dampfturbine 18 abgegebenen mechanischen Leistung abzüglich eines Umwandlungsverlusts im Generator 20 entspricht, wird zur Bereitstellung der Leistungsdifferenz kinetische Energie der Rotation eines Läufers (umfassend beispielsweise ein Turbinenrad, eine Welle und einen Rotor) von Dampfturbine 18 und Generator 20 in elektrische Energie umgesetzt. Dadurch sinkt die Drehzahl der Dampfturbine 18. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 24 mittels der Leistungselektronik 22 über die Leistungsabgabe des Generators 20 die Drehzahl der Dampfturbine 18 beeinflussen.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 weist einen Kondensator 26 auf. Der Kondensator 26 ist über eine Ableitung 28 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 fluidisch mit der Dampfturbine 18 verbunden. Nachdem das dampfförmige Fluid in der Dampfturbine 18 unter Energieabgabe entspannt wurde, wird es durch die Ableitung 28 in den Kondensator 26 geleitet. In dem Kondensator 26 wird das dampfförmige Fluid durch Wärmeabfuhr kondensiert, sodass flüssiges Wärmeträgermedium 14 erhalten wird. Der Druck im Kondensator 26 liegt im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 unterhalb des Umgebungsdrucks. Eine Kühlmediumpumpe 30 versorgt den Kondensator 26 mit Kühlmedium, beispielsweise Wasser. Das Kühlmedium hat beim Eintritt in den Kondensator 26 typischerweise eine Temperatur von 10°C bis 20°C. Durch das Kühlmedium wird die Wärmeabfuhr aus dem Fluid bewirkt. Kondensiertes Wärmeträgermedium wird durch eine Kondensatpumpe 31 aus dem Kondensator 26 abgezogen. Das kondensierte Wärmeträgermedium hat beim Austritt aus dem Kondensator 26 typischerweise eine Temperatur von 32°C bis 60°C.
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Die Zuleitung 16 und die Ableitung 28 sind Bestandteile eines Leitungssystems das den Entspannungsverdampfer 12 über die Dampfturbine 18 mit dem Kondensator 26 verbindet. Um den Druck in dem Entspannungsverdampfer 12 und dem Kondensator 26 unter den Umgebungsdruck zu senken, weist die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 eine Evakuierungseinrichtung 32, hier umfassend eine Vakuumpumpe, auf. Die Evakuierungseinrichtung 32 ist hier an dem Kondensator 26 angeordnet. Um die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 in Betrieb zu setzen, werden mittels der Evakuierungseinrichtung 32 Gase aus dem Leitungssystem abgesaugt, bis der Druck unterhalb des Siededrucks des flüssigen Wärmeträgermediums 14 im Entspannungsverdampfer 12 liegt. Typischerweise wird die Evakuierungseinrichtung 32 derart betrieben, dass der Druck im Entspannungsverdampfer 12 bei 0,3 bis 0,7 bar liegt. Der Druck im Kondensator 26 liegt dann nach der Entspannung des Fluids in der Dampfturbine typischerweise bei 0,05 bis 0,2 bar.
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Warmes Wärmeträgermedium 14 wird durch eine Vorlaufpumpe 34 in den Entspannungsverdampfer 12 gefördert. Eine Temperatur von Wasser als Wärmeträgermedium liegt im Vorlauf typischerweise bei 95°C bis 105°C. Zum Erwärmen des Wärmeträgermediums kann beispielsweise Abwärme aus einem Prozess verwendet werden. Im Entspannungsverdampfer 12 stehendes Wasser als Wärmeträgermedium weist typischerweise eine Temperatur von 70°C bis 90°C auf. Bei diesen Temperaturen siedet Wasser bei den vorgenannten Drücken von 0,3 bis 0,7 bar. Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgebildet, die Förderleistung der Vorlaufpumpe 34 zu verändern. Dadurch kann eine Verdampfungsrate des Wärmeträgermediums beeinflusst werden. Diese wirkt sich wiederum auf die in der Dampfturbine 18 umsetzbare Leistung aus. Durch die Verdampfung des Wärmeträgermediums 14 im Entspannungsverdampfer 12 kühlt das Wärmeträgermedium 14 ab. Es wird daher über eine Rücklaufpumpe 36 aus dem Entspannungsverdampfer 12 abgezogen.
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Stromabwärts eines Turbinenrades der Dampfturbine 18 weist die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 einen Vakuumbrecher 38 auf. Der Vakuumbrecher 38 ist hier am Kondensator 26 angeordnet. Die Steuereinheit 24 ist dazu eingerichtet, den Vakuumbrecher 38 zu öffnen. Aufgrund des geringen Drucks im Kondensator 26 strömt bei geöffnetem Vakuumbrecher Luft aus der Umgebung in den Kondensator 26 und von diesem in die Ableitung 28. Dadurch steigt der Druck stromabwärts der Dampfturbine 18. Dies senkt das der Dampfturbine 18 zur Verfügung stehende isentrope Enthalpiegefälle, so dass die Leistung der Dampfturbine 18 sinkt. Bei gleichbleibender Belastung des Generators 20 sinkt dadurch die Drehzahl der Dampfturbine 18 und des mit dieser gekoppelten Generators 20. Wenn eine ausreichend große Menge Umgebungsluft in die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 eingeströmt ist, kommt der Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 schließlich zum Erliegen. Der Vakuumbrecher 38 fungiert auf diese Weise als ein Sicherheitsorgan, durch das die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 abgeschaltet werden kann. In der Zuleitung 16 und an der Dampfturbine 18 sind demgegenüber keine Sicherheitsorgane wie Schnellschlussventile oder Schnellschlussklappen und keine Regelorgane wie Regelventile oder Regelklappen vorhanden.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 weist hier weiterhin einen Bremswiderstand 40 auf. Der Bremswiderstand 40 ist elektrisch mit der Leistungselektronik 22 verbunden. Die Steuereinheit 24 ist dazu eingerichtet, über die Leistungselektronik 22 elektrische Energie in dem Bremswiderstand 40 in Wärme umzusetzen. Dadurch kann eine zusätzliche Belastung des Generators 20 erreicht werden, wenn eine Grenze der Leistungsabgabe in das Stromnetz oder an den Verbraucher erreicht ist. Durch Einleiten elektrischen Stroms aus dem Generator 20 in den Bremswiderstand 40 kann bei ansonsten gleichbleibenden Betriebsparametern der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 die Drehzahl der Dampfturbine 18 gesenkt werden.
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In der Steuereinheit 24 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 ist ein Kennfeld hinterlegt. Das Kennfeld verknüpft einen Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 mit einem Sollwert der Drehzahl der Dampfturbine 18. Zur Definition des Betriebszustands können eine oder mehrere der Größen Druck in der Zuleitung, Druck in der Ableitung, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Zuleitung und/oder in dem Entspannungsverdampfer, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Ableitung und/oder in dem Kondensator, Enthalpie des Fluids in der Zuleitung und/oder in der Ableitung herangezogen werden. Das Kennfeld enthält für eine Kombination von Zahlenwerten dieser Parameter einen jeweils zugeordneten Sollwert der Drehzahl. Für nicht hinterlegte Zahlenwerte kann eine Interpolation zu benachbarten Werten vorgenommen werden. Die Steuereinheit 24 ist dazu eingerichtet die Drehzahl der Dampfturbine 18 auf den Sollwert des vorliegenden Betriebszustandes einzuregeln. Dazu kann ein Regelungsalgorithmus in der Steuereinheit 24 hinterlegt sein. In dem Kennfeld und dem Regelungsalgorithmus sind mit anderen Worten die thermodynamischen Größen, die das isentrope Enthalpiegefälle beeinflussen, erfasst und regelungstechnisch aufbereitet. Zur Regelung der Drehzahl kann die Steuereinheit 24 vorzugsweise wie oben beschrieben die Belastung des Generators 20 über die Leistungselektronik 22 und die Förderleistung der Vorlaufpumpe 34 verändern. Insbesondere wenn diese Maßnahmen nicht ausreichen, um in einem zulässigen Bereich eines Betriebsparameters zu bleiben, kann die Steuereinheit 24 zusätzlich oder alternativ zu diesen Maßnahmen den Vakuumbrecher 38 öffnen und/oder elektrische Energie in den Bremswiderstand 40 leiten.
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Die Steuereinheit 24 ist ferner dazu eingerichtet, die Rücklaufpumpe 36, die Kondensatpumpe 31, die Kühlmediumpumpe 30 und die Evakuierungseinrichtung 32 anzusteuern und insbesondere deren jeweilige Förder- bzw. Saugleistung zu verändern. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 entsprechende Steuerleitungen nicht eingezeichnet.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann in einer nicht näher dargestellten Ausführungsform mehrstufig gestaltet sein. Dazu ist der Rücklauf des Entspannungsverdampfers, der auf der höchsten Temperatur arbeitet, mit dem Zulauf (Vorlauf) eines weiteren Entspannungsverdampfers verbunden, der auf einem niedrigeren Druckniveau entsprechend seiner (niedrigeren) Zulauftemperatur arbeitet. Auf diese Weise lassen sich mehrere Entspannungsverdampfer hintereinander schalten. Das dampfförmiger Fluid aus den mehreren Entspannungsverdampfem kann einer gemeinsamen Dampfturbine zugeführt werden. Alternativ können auch mehrere Dampfturbinen aus jeweils einem oder mehreren der mehreren Entspannungsverdampfer mit Fluid versorgt werden.
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2 zeigt eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10 mit den Komponenten der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 gemäß 1 und weiterhin aufweisend einen solarthermischen Wärmeerzeuger 42. Aufbau und Funktion der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 2 entsprechen - vom solarthermischen Wärmeerzeuger 42 abgesehen - der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 1. Für die übernommenen Komponenten und deren Funktion sei auf die obige Beschreibung verwiesen. Die Leistungselektronik 22, die Steuereinheit 24 und der Bremswiderstand 40 sind in 2 nicht eingezeichnet; diese Komponenten sind jedoch genauso vorhanden und ausgebildet wie bei der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 1.
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Durch den solarthermischen Wärmeerzeuger 42 wird die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 zu einem solarthermischen Kraftwerk erweitert. In dem solarthermischen Wärmeerzeuger 42 wird flüssiges Wärmeträgermedium 14, hier Wasser, durch Sonnenstrahlung erwärmt, vgl. Pfeile von schräg oben. Die Vorlaufpumpe 34 fördert das warme Wärmeträgermedium 14 aus dem solarthermischen Wärmeerzeuger 42 in den Entspannungsverdampfer 12. Im Entspannungsverdampfer 12 wird das Wärmeträgermedium 14 unter Unterdruck verdampft, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird. Das dampfförmige Fluid treibt die Dampfturbine 18 an.
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Durch die Verdampfung kühlt das im Entspannungsverdampfer 12 stehende, flüssige Wärmeträgermedium 14 ab. Dieses Wärmeträgermedium 14 wird durch die Rücklaufpumpe 36 zurück in den solarthermischen Wärmeerzeuger 42 gefördert. Dort wird das Wärmeträgermedium 14 erneut durch Sonnenstrahlung erwärmt und sodann in den Entspannungsverdampfer 12 eingeleitet. Auf diese Weise ist ein erster Kreislauf (Kreisprozess) eingerichtet.
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Nach Durchtritt durch die Dampfturbine 18 wird das dampfförmige Fluid im Kondensator 26 unter Unterdruck kondensiert, sodass wieder flüssiges Wärmeträgermedium 14 erhalten wird. Das flüssige Wärmeträgermedium 14 wird durch die Kondensatpumpe 31 in den solarthermischen Wärmeerzeuger 42 gefördert. Dort wird das Wärmeträgermedium 14 erneut durch Sonnenstrahlung erwärmt und sodann in den Entspannungsverdampfer 12 eingeleitet. Auf diese Weise ist ein zweiter Kreislauf (Kreisprozess) eingerichtet. Die Kondensatpumpe 31, der solarthermische Wärmeerzeuger 42 und die Vorlaufpumpe 34 bilden hierbei eine Rückführeinrichtung, um flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator 26 in den Entspannungsverdampfer 12 zurückzuführen.
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3 zeigt eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10 mit den Komponenten der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 gemäß 1 und weiterhin aufweisend einen Wärmespeicher 44. Aufbau und Funktion der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 3 entsprechen - vom Wärmespeicher 44 abgesehen - der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 1. Für die übernommenen Komponenten und deren Funktion sei auf die obige Beschreibung verwiesen. Die Leistungselektronik 22, die Steuereinheit 24 und der Bremswiderstand 40 sind in 3 nicht eingezeichnet; diese Komponenten sind jedoch genauso vorhanden und ausgebildet wie bei der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 1.
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In dem Wärmespeicher 44 wird warmes, flüssiges Wärmeträgermedium 14, hier Wasser, bevorratet. Warmes Wärmeträgermedium 14 wird dem Wärmespeicher 44 aus einer nicht dargestellten Heizvorrichtung zugeführt, vgl. linker, oberer Pfeil in den Wärmespeicher 44 hinein. Bei der Bevorratung im Wärmespeicher 44 kühlt das Wärmeträgermedium 14 ab. Es wird daher einer erneuten Erwärmung in der Heizvorrichtung zugeführt, vgl. linker, unterer Pfeil aus dem Wärmespeicher 44 heraus.
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Die Vorlaufpumpe 34 fördert das warme Wärmeträgermedium 14 aus dem Wärmespeicher 44 in den Entspannungsverdampfer 12. Im Entspannungsverdampfer 12 wird das Wärmeträgermedium 14 unter Unterdruck verdampft, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird. Das dampfförmige Fluid treibt die Dampfturbine 18 an.
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Durch die Verdampfung kühlt das im Entspannungsverdampfer 12 stehende, flüssige Wärmeträgermedium 14 ab. Dieses Wärmeträgermedium 14 wird durch die Rücklaufpumpe 36 zurück in den Wärmespeicher 44 gefördert. Auf diese Weise ist ein erster Kreislauf (Kreisprozess) eingerichtet.
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Aus dem Wärmespeicher 44 wird das Wärmeträgermedium 14 erneut der Heizvorrichtung zugeführt und dort erwärmt. Sodann wird das erwärmte Wärmeträgermedium wieder in den Wärmespeicher 44 eingeleitet. Auf diese Weise ist ein zweiter Kreislauf (Kreisprozess) eingerichtet. Aus dem Wärmespeicher 44 wird das erwärmte Wärmeträgermedium erneut in den Entspannungsverdampfer 12 gefördert, und so fort.
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Nach Durchtritt durch die Dampfturbine 18 wird das dampfförmige Fluid im Kondensator 26 unter Unterdruck kondensiert, sodass wieder flüssiges Wärmeträgermedium 14 erhalten wird. Das flüssige Wärmeträgermedium 14 wird durch die Kondensatpumpe 31 in den Wärmespeicher 44 gefördert. Auf diese Weise ist ein dritter Kreislauf (Kreisprozess) eingerichtet. Aus dem Wärmespeicher 44 wird das Wärmeträgermedium 14 erneut in die Heizvorrichtung gefördert und dort erwärmt. Sodann wird das Wärmeträgermedium 14 erneut in den Entspannungsverdampfer 12 eingeleitet. Die Kondensatpumpe 31, der Wärmespeicher 44 und die Vorlaufpumpe 34 bilden eine Rückführeinrichtung, um flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator 26 in den Entspannungsverdampfer 12 zurückzuführen.
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4 zeigt eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10 mit den Komponenten der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 gemäß 3 und weiterhin aufweisend einen solarthermischen Wärmeerzeuger 42. Der solarthermische Wärmeerzeuger 42 fungiert als eine oben beschriebene Heizvorrichtung für das flüssige Wärmeträgermedium 14. Auf diese Weise wird ein solarthermisches Speicherkraftwerk erhalten.
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Aufbau und Funktion der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 4 entsprechen - vom solarthermischen Wärmeerzeuger 42 abgesehen - der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 3. Für die übernommenen Komponenten und deren Funktion sei auf die obige Beschreibung verwiesen. Die Leistungselektronik 22, die Steuereinheit 24 und der Bremswiderstand 40 sind in 4 nicht eingezeichnet; diese Komponenten sind jedoch genauso vorhanden und ausgebildet wie bei der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 1.
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Wie bereits erwähnt, übernimmt der solarthermische Wärmeerzeuger 42 bei der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 von 4 die Funktion der Heizvorrichtung. Um das flüssige Wärmeträgermedium 14 aus dem Wärmespeicher 44 in den solarthermischen Wärmeerzeuger zu fördern, ist eine Heizkreispumpe 46 vorgesehen. Durch das Einleiten des Wärmeträgermediums 14 aus dem Wärmespeicher 44 in den solarthermischen Wärmeerzeuger 42 wird in dem solarthermischen Wärmeerzeuger 42 durch Sonnenstrahlung (vgl. Pfeile von schräg oben) erwärmtes Wärmeträgermedium 14 verdrängt und in den Wärmespeicher 44 gedrückt. Die Kondensatpumpe 31, der Wärmespeicher 44, die Heizkreispumpe 46, der solarthermische Wärmeerzeuger 42 und die Vorlaufpumpe 34 bilden eine Rückführeinrichtung, um flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator 26 in den Entspannungsverdampfer 12 zurückzuführen.
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Die Steuereinheit 24 ist dazu eingerichtet, die Heizkreispumpe 46 anzusteuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 24 eine Förderleistung, beispielsweise einen Volumenstrom, der Heizkreispumpe 46 einstellen.
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5 zeigt einen Turbosatz 48 aufweisend eine Dampfturbine 18 und einen Generator 20 für eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10, wie sie beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt ist, in einem schematischen Längsschnitt. Der Generator 20 ist stromaufwärts eines Turbinenrades 50 der Dampfturbine 18 in einer Zuleitung 16 angeordnet.
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Die Dampfturbine 18 ist als eine Axialturbine ausgebildet. Die Dampfturbine 18 weist das Turbinenrad 50 und ein Leitrad 52 auf. Das Leitrad 52 ist stromaufwärts des Turbinenrades 50 angeordnet, hier zwischen dem Turbinenrad 50 und dem Generator 20. Das Turbinenrad 50 ist mittels einer Welle 54 drehbar gelagert. Radial außen weist das Turbinenrad 50 eine Laufbeschaufelung 56 auf. Die Laufbeschaufelung 56 kann von dem Turbinenrad 50 separate Laufschaufeln umfassen, die an dem Turbinenrad 50 befestigt sind. Alternativ kann das Turbinenrad 50 einstückig ausgebildet sein, d.h. die Laufbeschaufelung 56 kann integraler Bestandteil des Turbinenrades 50 sein. Die Laufbeschaufelung 56 der Dampfturbine 18 kann im Impuls- oder im Reaktionsdesign ausgeführt sein. Das Leitrad 52 ist nicht drehbar an einem Außengehäuse 58 des Turbosatzes 48 gehalten. Das Außengehäuse 58 bildet stromaufwärts der Dampfturbine 18 die Zuleitung 16 mit aus. Stromabwärts der Dampfturbine 18 bildet das Außengehäuse 58 eine Ableitung 28 mit aus. Über die Zuleitung 16 wird der Dampfturbine 18 Fluid zugeführt. Über die Ableitung 28 wird entspanntes Fluid nach Durchtritt durch die Dampfturbine 18 abgeführt.
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Innerhalb der Zuleitung 16 ist der Generator 20 angeordnet. Der Generator 20 befindet sich mithin stromaufwärts der Dampfturbine 18. Eine Richtung der Strömung durch den Turbosatz 48 ist in 5 durch Pfeile angedeutet. Die Strömung des Fluids verläuft hier geradlinig durch die Zuleitung 16 an dem Generator 20 vorbei und zu der Dampfturbine 18 hin.
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Der Generator 20 weist einen Rotor 60 und einen Stator 62 auf. Der Rotor 60 ist auf derselben Welle 54 wie das Turbinenrad 50 angeordnet. Mithin ist der Rotor 60 zusammen mit dem Turbinenrad 50 um eine gemeinsame Längsachse 64 drehbar. Die Welle 54, der Rotor 60 und das Turbinenrad 50 bilden einen Läufer des Turbosatzes 48. Die Längsachse 64 kann für den Betrieb des Turbosatzes 48 horizontal, vertikal oder geneigt ausgerichtet sein.
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Die Welle 54 ist in einer ersten Lagerstelle 66 und einer zweiten Lagerstelle 68 gelagert. Die erste Lagerstelle 66 befindet sich zwischen dem Rotor 60 und dem Turbinenrad 50. Die zweite Lagerstelle 68 befindet sich vom Turbinenrad 50 aus gesehen jenseits, d.h. stromaufwärts, des Rotors 60. Die Lagerstellen 66, 68 können in an und für sich bekannter Weise als Fest-/Loslageranordnung, schwimmende Stützlagerung oder angestellte Stützlagerung ausgeführt sein. Lager der Lageranordnungen 66, 68 können als Wälzlager, Gleitlager und/oder Magnetlager ausgebildet sein. Die Dampfturbine 18 kann öl-frei gelagert sein. Sollte als Wärmeträgermedium 14 Wasser zum Einsatz kommen, und das im Kondensator 26 entstandene Kondensat als Trink- bzw. als Brauchwasser weiter verarbeitet werden, kann dadurch eine Kontamination des Kondensats vermieden werden.
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Der Stator 62 des Generators 20 ist in einem Innengehäuse 70 angeordnet. Das Innengehäuse 70 ist innerhalb der Zuleitung 16 angeordnet. Das Innengehäuse 70 kann sich über nicht näher dargestellte Stützen an dem Außengehäuse 58 abstützen. Die Lagerstellen 66, 68 stützen die Welle 54 in nicht näher dargestellter Weise an dem Innengehäuse 70 ab.
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Zwischen dem Innengehäuse 70 und der Zuleitung 16 des Außengehäuses 58 ist ein Ringspalt 72 ausgebildet. Im Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 mit dem Turbosatz 48 strömt das Fluid durch den Ringspalt 72 an dem Generator 20 vorbei. Außenseitig weist das Innengehäuse 70 Kühlrippen 74 auf. Die Kühlrippen 74 ragen in zu der Längsachse 64 radialer Richtung in den Ringspalt 72 hinein. Im Betrieb werden die Kühlrippen 74 somit von dem strömenden Fluid überstrichen, sodass der Generator 20 gekühlt wird. Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann der Stator 62 in nicht näher dargestellter, aber an und für sich bekannter Weise wärmeleitend mit den Kühlrippen 74 verbunden sein.
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6 zeigt einen Ablaufplan für ein Betriebsverfahren für einen Normalbetrieb 100 einer Niederdruckdampfturbinenanlage 10, wie sie beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt ist. In einem Schritt 102 wird ein Leitungssystem der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 evakuiert. Dabei sinkt der Druck in dem Leitungssystem überall auf einen Wert unterhalb des Umgebungsdrucks von 1 bar. Der Druck in dem Leitungssystem wird beim Evakuieren im Schritt 102 so weit abgesenkt, dass in einem Entspannungsverdampfer 12 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 flüssiges Wärmeträgermedium 14 verdampft. Durch das Verdampfen des Wärmeträgermediums 14 wird dampfförmiges Fluid erhalten. Das dampfförmige Fluid treibt eine Dampfturbine 18 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 an. Die Dampfturbine 18 treibt wiederum einen Generator 20 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 an. Der Generator 20 wandelt mechanische Energie, die ihm von der Dampfturbine 18 bereitgestellt wird, in elektrische Energie um.
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In einem Schritt 104 wird die elektrische Belastung des Generators 20 verändert. Eine Steuereinheit 24 der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 wirkt dazu auf eine Leistungselektronik 22 ein, über die der Generator 20 an einen Verbraucher und/oder ein Stromnetz angeschlossen ist. Durch das Verändern der elektrischen Belastung des Generators 20 verändert sich die Drehzahl der Dampfturbine 18.
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In einem Schritt 106 wird eine Verdampfungsrate in dem Entspannungsverdampfer 12 verändert. Der Schritt 104 kann gleichzeitig mit oder vor oder nach dem Schritt 104 durchgeführt werden. Typischerweise werden die Schritte 104 und 106 wiederholt durchgeführt. Um die Verdampfungsrate zu verändern, verändert die Steuereinheit 24 eine Förderleistung einer Vorlaufpumpe 34, die warmes Wärmeträgermedium 14 in den Entspannungsverdampfer 12 fördert. Durch Verändern der Verdampfungsrate im Entspannungsverdampfer 12 wird die Leistung der Dampfturbine 18 beeinflusst, sodass - bei ansonsten gleichbleibenden Betriebsparametern - die Drehzahl der Dampfturbine 18 verändert wird.
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Die Schritte 104 und 106 werden in einer solchen Weise durchgeführt, dass die Drehzahl der Dampfturbine 18 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 auf einen Sollwert geregelt wird. Hierzu ist in der Steuereinheit 24 ein Kennfeld hinterlegt, das den Betriebszustand mit dem Sollwert verknüpft. Der Betriebszustand umfasst eine oder mehrere der Größen Druck in einer Zuleitung 16, Druck in einer Ableitung 28, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Zuleitung 16 und/oder in dem Entspannungsverdampfer 12, Temperatur des dampfförmigen Fluids in der Ableitung 28 und/oder in einem Kondensator 26, Enthalpie des Fluids in der Zuleitung 16 und/oder in der Ableitung 28.
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Wenn der Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 beendet werden soll, wird in einem Schritt 108 ein Vakuumbrecher 38 stromabwärts eines Turbinenrades 50 der Dampfturbine 18 geöffnet. Dadurch strömt Umgebungsluft in das Leitungssystem und erhöht stromabwärts des Turbinenrades 50 den Druck in dem Leitungssystem. Dies senkt das an der Dampfturbine 18 anliegende isentrope Enthalpiegefälle bis schließlich die Dampfturbine 18 zum Stillstand kommt.
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7 zeigt einen Ablaufplan eines Betriebsverfahrens für eine Schnellabschaltung 110 einer Niederdruckdampfturbinenanlage 10, wie sie beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt ist. Zunächst befindet sich die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 im Normalbetrieb 100, beispielsweise gemäß 6. Falls eine Schnellabschaltung der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 erforderlich ist, werden die folgenden Schritte gleichzeitig durchgeführt:
- - der Vakuumbrecher 38 wird geöffnet (Schritt 112),
- - ein Volumenstrom von in den Entspannungsverdampfer 12 fließendem Wärmeträgermedium 14 wird auf null verringert (Schritt 114),
- - elektrische Energie aus dem Generator 20 wird in dem Bremswiderstand 40 in Wärme umgesetzt (Schritt 116).
Zudem kann gleichzeitig mit den Schritten 112, 114 und 116 in einem Schritt 118 die Abgabe von elektrischer Leistung aus dem Generator 20 an einen Verbraucher und/oder ein Stromnetz maximiert werden.
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Durch die Schritte 112 und 114 wird die in der Dampfturbine 18 maximal erzeugbare mechanische Leistung verringert. Durch den Schritt 114 kommt der Verdampfungsprozess zum Erliegen und der Dampfmassenstrom geht zurück. Durch die Schritte 116 und 118 wird die Leistungsabgabe des Generators 20 erhöht. Dies erhöht den Bedarf an mechanischer Leistung für den Generator 20. Wenn der Leistungsbedarf des Generators 20 die Leistungsfähigkeit der Dampfturbine 18 übersteigt, wird Rotationsenergie von Dampfturbine 18 und Generator 20 in elektrische Energie umgewandelt, sodass die Drehzahl der Dampfturbine 18 sinkt, bis diese zum Stillstand kommt.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren betrifft die Erfindung eine Niederdruckdampfturbinenanlage 10, die in wärmegeführter Gleitdruckfahrweise betrieben wird, und deren Drehzahl kennfeld-basiert, variabel geregelt wird. Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 zeichnet sich durch einen variablen Systemdruck auf der Dampfseite und eine reduzierte Anlagenkomplexität aus. Dies betrifft in besonderem Maße die Dampfturbine 18, die aufgrund der Fahrweise ohne vorgeschaltete Regelorgane (Regelventile oder -klappen) konzipiert ist. Druckverluste vor der Dampfturbine 18 werden dadurch minimiert, was sich positiv auf den Anlagenwirkungsgrad auswirkt.
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Die Dampferzeugung innerhalb der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 beruht auf dem Effekt der Flash-Verdampfung. Dazu wird der Systemdruck innerhalb eines Leitungssystems der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 unter den Dampfdruck eines geeigneten Wärmeträgermediums 14 abgesenkt, bis Sattdampf entsteht. Das Wärmeträgermedium kann z.B. Wasser, Deionat (vollentsalztes Wasser), Süßwasser, Brackwasser oder Meerwasser sein.
Die auftretenden Systemtemperaturen auf der Dampfseite liegen maximal so hoch wie die Siedetemperatur des verwendeten Wärmeträgermediums 14 bei dem vorherrschenden Umgebungsdruck. Die auftretenden Systemdrücke auf der Dampfseite liegen stets unterhalb des Umgebungsdrucks. Ein Austritt von heißem, dampfförmigem Fluid (verdampftem Wärmeträgermedium) ist somit ausgeschlossen. Dies reduziert das Gefahrenpotenzial erheblich. Aufgrund dieser Systemeigenschaft kann auf den Einsatz von Sicherheitsorganen (Schnellschlussventilen oder -klappen) an der Dampfturbine 18 oder in der Zuleitung 16 verzichtet werden.
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Als ein der Dampfturbine 18 nachgeschaltetes Sicherheitsorgan wird am Kondensator 26 ein Vakuumbrecher 38 eingesetzt. Bei dessen Öffnen wird das System mit Umgebungsluft geflutet und der Prozess kommt zum Erliegen.
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Die Dampfturbine 18 wird mit einem Generator 20 so zu einem Turbosatz 48 verbunden, dass beide Komponenten stets mit derselben, variablen Drehzahl laufen. Die Dampfturbine 18 und der Generator 20 können direkt gekuppelt oder mit einer Kupplung verbunden oder auf einer gemeinsamen Welle positioniert sein. Ein mechanisches Getriebe findet keine Anwendung. Die Dampfturbine 18 kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Die Anpassung des im Generator 20 erzeugten Stroms an die vorherrschende Netzfrequenz sowie die Drehzahlregelung des Turbosatzes 48 erfolgen über einen Einspeiseumrichter einer Leistungselektronik 22. Der Drehzahlsollwert wird über ein Kennfeld ermittelt, dass in einer Steuereinheit 24 hinterlegt wird. Die Drehzahl der Dampfturbine 18 und des mit ihr gekuppelten Generators 20 wird über das Belasten oder Entlasten des Generators über den Einspeiseumrichter verändert. Als Stellgröße für die Drehzahlregelung der Dampfturbine 18 und des mit ihr gekuppelten Generators 20 kann
- - das der Dampfturbine 18 zur Verfügung stehende isentrope Enthalpiegefälle,
- - die der Dampfturbine 18 zur Verfügung stehende Druckdifferenz,
- - die der Dampfturbine 18 zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz, und/oder
- - ein in der Steuereinheit 24 hinterlegtes Kennfeld herangezogen werden.
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Der dampfseitige Druck im Entspannungsverdampfer 12, in der Zuleitung 16 und vor der Dampfturbine 18 ist variabel. Er stellt sich in Abhängigkeit der Temperatur des dem Entspannungsverdampfers 12 zugeführten Wärmeträgermediums 14 und der dem Entspannungsverdampfer 12 zugeführten Wärmemenge ein.
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Der Dampfmassenstrom, der der Dampfturbine 18 zugeführt wird, ist variabel.
Er stellt sich in Abhängigkeit der Temperatur des dem Entspannungsverdampfer 12 zugeführten Wärmeträgermediums 14 und der dem Entspannungsverdampfer 12 zugeführten Wärmemenge ein. Auf die dem Entspannungsverdampfer 12 zugeführte Wärmemenge kann über die Vorlaufpumpe 34 regelungstechnisch Einfluss genommen werden. Die elektrische Leistung der Niederdruckdampfturbinenanlage 10 ist von der dem Entspannungsverdampfer 12 zugeführten Wärmemenge und von der Temperatur des Wärmeträgermediums 14 abhängig. Über eine Regelung des Massenstroms bzw. Volumenstroms an Wärmeträgermedium 14 kann die elektrische Leistung geregelt werden.
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Das isentrope Enthalpiegefälle, das der Dampfturbine 18 zur Verfügung steht, ist variabel. Da in dem Entspannungsverdampfer 12 ausschließlich Sattdampf erzeugt wird, ist es abhängig von dem Druck, der sich vor der Dampfturbine 18 einstellt, und von dem Druck, der im Kondensator 26 herrscht.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 10 zeichnet sich aufgrund des wärmegeführten Gleitdruckbetriebs und der drehzahlgeregelten Dampfturbine 18 durch einen erweiterten Betriebsbereich gegenüber konventionell betriebenen Anlagen aus. Darüber hinaus wird durch die dem isentropen Enthalpiegefälle angepasste Drehzahl die Dampfturbine 18 immer im optimalen Wirkungsgrad oder nahe des optimalen Wirkungsgrads für den jeweiligen Lastpunkt betrieben, was sich positiv auf den Anlagenwirkungsgrad auswirkt.
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Nach alledem betrifft die Erfindung eine Niederdruckdampfturbinenanlage (10) aufweisend
- - einen Entspannungsverdampfer (12), zum Verdampfen von flüssigem Wärmeträgermedium (14), wobei der Druck in dem Entspannungsverdampfer (12) unter dem Umgebungsdruck liegt,
- - eine Dampfturbine (18),
- - einen Generator (20), der mit der Dampfturbine (18) gekoppelt ist,
- - eine Leistungselektronik (22) zum Anschließen des Generators (20) an einen Verbraucher und/oder ein Stromnetz,
- - einen Kondensator (26), zum Kondensieren des im Betrieb aus der Dampfturbine (18) austretenden dampfförmigen Fluids, wobei der Druck in dem Kondensator (26) unter dem Umgebungsdruck liegt,
- - einen Vakuumbrecher (38), der stromabwärts eines Turbinenrades (50) der Dampfturbine (18) angeordnet ist, und
- - eine Steuereinheit (24), die dazu eingerichtet ist, die elektrische Belastung des Generators (20) durch die Leistungselektronik (22) zu verändern und den Vakuumbrecher (38) zu öffnen.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren für eine Niederdruckdampfturbinenanlage (10), mit den Schritten
- a) Evakuieren eines Leitungssystems der Niederdruckdampfturbinenanlage (10), sodass der Druck in dem Leitungssystem überall unter dem Umgebungsdruck liegt und sodass Wärmeträgermedium (14) in einem Entspannungsverdampfer (12) verdampft,
- b) Verändern der elektrischen Belastung eines Generators(20),
- c) Öffnen eines Vakuumbrechers (38).
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Bezugszeichenliste
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| Niederdruckdampfturbinenanlage |
10 |
| Entspannungsverdampfer |
12 |
| flüssiges Wärmeträgermedium |
14 |
| Zuleitung |
16 |
| Dampfturbine |
18 |
| Generator |
20 |
| Leistungselektronik |
22 |
| Steuereinheit |
24 |
| Kondensator |
26 |
| Ableitung |
28 |
| Kühlmediumpumpe |
30 |
| Kondensatpumpe |
31 |
| Evakuuierungseinrichtung |
32 |
| Vorlaufpumpe |
34 |
| Rücklaufpumpe |
36 |
| Vakuumbrecher |
38 |
| Bremswiderstand |
40 |
| solarthermischer Wärmeerzeuger |
42 |
| Wärmespeicher |
44 |
| Heizkreispumpe |
46 |
| Turbosatz |
48 |
| Turbinenrad |
50 |
| Leitrad |
52 |
| Welle |
54 |
| Laufbeschaufelung |
56 |
| Außengehäuse |
58 |
| Rotor |
60 |
| Stator |
62 |
| Längsachse |
64 |
| erste Lagerstelle |
66 |
| zweite Lagerstelle |
68 |
| Innengehäuse |
70 |
| Ringspalt |
72 |
| Kühlrippen |
74 |
| Normalbetrieb |
100 |
| Evakuieren |
102 |
| Belastung verändern |
104 |
| Verdampfungsrate verändern |
106 |
| Vakuumbrecher öffnen |
108 |
| Schnellabschaltung |
110 |
| Vakuumbrecher öffnen |
112 |
| Volumenstrom verringern |
114 |
| Energie im Bremswiderstand umsetzen |
116 |
| Leistungsabgabe maximieren |
118 |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012024526 A1 [0007]
- DE 102018209177 [0036]