DE102012108992A1

DE102012108992A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates

Info

Publication number: DE102012108992A1
Application number: DE201210108992
Authority: DE
Inventors: Richard Leitz; Hans-Georg Schrey
Original assignee: Clyde Bergemann TERMOTEC GmbH
Current assignee: SHUANGLIANG CLYDE BERGEMANN GMBH, DE
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates (1) einer Dampfturbinenanlage (2), umfassend zumindest die folgenden Schritte: – Feststellen, dass ein Großteil des Dampfleitungssystems (3) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) ein Fremdgas enthält, – Einleiten von Dampf aus einem Dampfkreislauf (3) der Dampfturbinenanlage (2) über eine Bypassleitung (5) an einer Dampfturbine (6) vorbei, wobei der Dampf hinsichtlich Druck und Temperatur zuvor konditioniert wird, – Austreiben des Fremdgases mit dem konditionierten Dampf über mindestens ein Entlüftungsventil (7) im Einlassbereich (8) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) und mindestens ein dem luftgekühlten Kondensationsapparat (1) nachgelagertes Entlüftungsventil (7), – Feststellen eines Dampfdrucks im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparates (1), wobei in Abhängigkeit des festgestellten Dampfdrucks zumindest die Konditionierung des Dampfes aus der Bypassleitung (5) oder die Menge des Dampfes aus der Bypassleitung (5) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates zur Rückgewinnung des Dampfes aus einer Dampfturbinenanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anfahrstrategie für einen solchen luftgekühlten Kondensationsapparat, der noch nicht ausreichend mit Dampf geflutet ist. Weiterhin wird auch ein einfach aufgebauter und schnell aktivierbarer luftgekühlter Kondensationsapparat selbst vorgeschlagen.
Im Dampfturbinenkreislauf spielt das erreichbare Vakuum am Ende der Dampfturbine die entscheidende Rolle für Leistung und Wirkungsgrad der Dampfturbinenanlage. Zu diesem Zweck ist der Dampfkreislauf mit einem sogenannten „kalten Ende“ ausgerüstet, wo der Abdampf der Dampfturbine kondensiert und anschließend dem Kreislauf wieder zugeführt wird.
Das kalte Ende wird in vielen älteren Kraftwerken von Nass- oder Verdunstungskühlern gebildet, die die Kondensationswärme effektiv abführen, allerdings auf Kosten eines hohen Kühlwasserverbrauchs. Zudem fallen noch Sonderabfälle an, die die Umwelt schädigen können.
Aus diesem Grund hat sich – insbesondere mit dem Aufkommen der kombinierten Gas- und Dampf-Kraftwerke (oder „GuD“) – die sogenannte „trockene“ Rückkühlung durchgesetzt, bei der der Abdampf der Dampfturbine in Rippenrohren direkt an der umgebenden Luft kondensiert wird. Dieser trockene Wärmeübergangsprozess ist weniger effektiv als Verdunstungskühlung, hat aber den Vorteil keine umweltschädigenden Reststoffe zu produzieren. Trockene luftgekühlte Kondensationsanlagen – kurz auch „Luko“ genannt – haben ein vergleichsweise großes Bauvolumen, das im Vakuum gehalten werden muss. Aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich von Dampfturbine und Flanschen und/oder durch Reststoffe aus der Wasseraufbereitung des Wasser-Dampf-Kreislaufs fallen regelmäßig nicht kondensierbare (inerte) Gase an, die aus dem Dampfraum abzuführen sind, um das Vakuum aufrecht zu erhalten. Dies wird von der sogenannten „Betriebs-Evakuierung“ geleistet, die nur für die normalerweise sehr geringe Leckage-Luftmenge ausgelegt wird.
Anders ist die Situation beim Anfahren einer solchen luftgekühlten Kondensationsanlage. Hier ist davon auszugehen, dass das gesamte Bauvolumen mit Luft gefüllt ist. Bevor der Dampfturbinenbetrieb im Vakuum aufgenommen werden kann, muss daher zunächst ein Großteil der Luft im Vakuumdampfraum entfernt werden. Dazu dient bisher die sogenannte „Anfahr-Evakuierung“, die das Gesamtvolumen innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf ein Vakuum von etwa 25 kPa [KiloPascal] bringt. Um extreme Kosten für die Anfahr-Evakuierung zu vermeiden, hat sich allgemein eine Anfahrzeit von etwa 30 bis 45 Minuten durchgesetzt. Diese Mindestzeit vor Inbetriebnahme der luftgekühlten Kondensationsanlage und der Dampfturbine verhindert den Einsatz solcher luftgekühlten Kondensationsanlagen bei Kraftwerken, die für kurze Hochfahrzeiten ausgelegt sind.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei luftgekühlten Kondensationsanlagen großer Baugröße. Bei Teillastbetrieb kann es nötig werden, Teile des Kondensators stillzulegen. Dies erfolgt gewöhnlich durch Absperren eines Wärmetauscherabschnitts (z. B. eines Daches bei mehreren parallelen Dächern) mit Hilfe von Absperrarmaturen. Um einen Inertgas-Einbruch zu verhindern und ein schnelles Wiederanfahren zu ermöglichen, muss hierbei aber der passive Wärmetauscherabschnitt weiterhin im Vakuum gehalten werden.
Würde die gesamte luftgekühlte Kondensationsanlage mitsamt der Dampfturbine abgeschaltet und die Betriebs-Evakuierung weiterhin für schnelles Wieder-Anfahren in Betrieb gehalten werden, müssten die Dampfturbinen-Stopfbuchsen bedampft werden, um den relativ großen Lufteinbruch dort zu vermeiden und einen tiefen Druck zum Wiederanfahren zu halten. Dieser hohe Aufwand wird aber im Regelfall vermieden, und so kommt es bei Stillstand zu Eindringen von Umgebungsluft in das evakuierte Volumen.
Für den zukünftig geplanten vermehrten Einsatz von Windenergieanlagen und Sonnenenergieanlagen, stellt sich die Aufgabe, bei Ausfall dieser Energiequellen schnell auf Ersatzenergielieferungen zurückgreifen zu können, um das Stromnetz stabil zu halten. Um auch hier Kraftwerksblöcke mit umweltfreundlichen luftgekühlten Kondensatoren einsetzen zu können, stellt sich Aufgabe, solche im Bedarfsfall kurzzeitig hochfahren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Probleme zu lindern oder zu beseitigen. Insbesondere soll auch die Verfügbarkeit von Kraftwerksblöcken erhöht werden, insbesondere (aber nicht nur) für GuD-Anlagen. Ferner soll der technische Aufwand gegenüber der konventionellen Bauweise durch eine neue Anfahrstrategie verringert werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates einer Dampfturbinenanlage gemäß Patentanspruch 1 und einem luftgekühlten Kondensationsapparat gemäß Patentanspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und führt weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung an.
Das Verfahren zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates einer Dampfturbinenanlage umfasst zumindest die folgenden Schritte:

– Feststellen, dass ein Großteil des Dampfleitungssystems des luftgekühlten Kondensationsapparates ein Fremdgas enthält,
– Einleiten von Dampf aus einem Dampfkreislauf der Dampfturbinenanlage über eine Bypassleitung an einer Dampfturbine vorbei, wobei der Dampf hinsichtlich Druck und Temperatur zuvor konditioniert wird,
– Austreiben des Fremdgases mit dem konditionierten Dampf über mindestens ein Entlüftungsventil im Einlassbereich des luftgekühlten Kondensationsapparates und mindestens ein dem luftgekühlten Kondensationsapparat nachgelagertes Entlüftungsventil,
– Feststellen eines Dampfdrucks im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparates, wobei in Abhängigkeit des festgestellten Dampfdrucks zumindest die Konditionierung des Dampfes aus der Bypassleitung oder die Menge des Dampfes aus der Bypassleitung eingestellt wird.

Das Verfahren zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparats (Luko) einer Dampfturbinenanlage betrifft insbesondere ein sogenanntes Anfahrverfahren eines luftgekühlten Vakuum-Kondensationsapparats (insbesondere eines der folgenden Prozesse des Betriebs: Verfahren zur Herstellung des Normalbetriebs; Verfahren zum Erzeugen eines geeigneten Vakuums; Verfahren zum Austreiben von Fremdgasen eines belüfteten Kondensationsapparats). Damit ist insbesondere der Betriebszustand gemeint, bei dem die Kondensationsanlage nach einem Stillstand komplett belüftet wurde (also Atmosphärendruck vorliegt).
Demzufolge kann als erster Verfahrensschritt angesehen werden, dass festgestellt wird, dass ein Großteil des Dampfleitungssystems des luftgekühlten (Vakuum-)Kondensationsapparats ein Fremdgas enthält. Wie bereits einleitend ausgeführt, kann es auch im Normalbetrieb zu Einschlüssen von Fremdgas kommen, wobei diese Mengen bzw. Volumina verglichen mit dem Dampfstrom relativ klein sind. Dem entgegengesetzt wird hier festgestellt, dass ein Großteil des Dampfleitungssystems Fremdgas enthält, wobei ein Großteil z. B. mindestens 30 %, insbesondere 50 % oder sogar mindestens 80 % des Inhalts des Dampfleitungssystems (z. B. ausgehend von der Dampfturbine bis hin zum Kondensat-Tank) erfasst. Zur Feststellung, ob im Dampfleitungssystem ein Fremdgas vorliegt, kann einerseits der aktuelle bzw. vorherige Betriebszustand des Kondensationsapparats und/oder der Dampfturbinenanlage herangezogen werden (z. B. Stillstand, Betriebsunterbrechung, Ventilstellungen, etc.). Alternativ und/oder kumulativ ist bevorzugt, den Fremdgasanteil im Dampfleitungssystem messtechnisch zu erfassen (Ermitteln des Drucks und/oder der Temperatur im Dampfleitungssystem). Eine besonders einfache Methode festzustellen, ob ein Fremdgas in den Luko eingedrungen ist, besteht in der Messung des absoluten Drucks und der örtlichen Dampftemperatur. Über die Sättigungslinie von Wasserdampf sind nämlich Druck und Temperatur fest miteinander verknüpft. Wenn nun die gemessene Temperatur unter der Temperatur der Sättigungslinie liegt, muss ein Fremdgas vor Ort sein. Man sagt hierzu auch, dass das Dampfgemisch "unterkühlt“ ist, wobei mit steigender Unterkühlung ein höheres Maß an Fremdgasen vorliegt.
Das Dampfleitungssystem des luftgekühlten Kondensationsapparats umfasst zumindest einen Einlassbereich (z. B. Dampfverteilerrohr), Wärmetauscherabschnitte (insbesondere mit Rippenrohren) sowie einen nachgelagerten Kondensatbereich mit einem Kondensat-Tank. Weiterhin kann das Dampfleitungssystem auch noch die Dampf führenden Leitungen bis hin zum Auslass der Dampfturbine umfassen. Ebenso ist möglich, dass auch die Leitung eines separaten, in Normalbetrieb eingesetzten Evakuierungsleitungssystems mit erfasst sind. Unter „Fremdgas“ werden hier insbesondere Luft und/oder mindestens ein Inertgas verstanden.
Grundsätzlich ist es für die Anwendung des Verfahrens unerheblich, welchen Aufbau der luftgekühlte (Vakuum-)Kondensationsapparat hat. Besonders bevorzugt sind jedoch dachförmig aufgebaute Kondensationsapparate, die jeweils eine Vielzahl von Rippenrohren umfassen, welche von Umgebungsluft zur Kühlung umströmt werden können. Bei einem solchen dachförmigen Aufbau ist oben etwa mittig ein Dampfverteilerrohr vorgesehen, wobei die schrägen Dachflächen darunter jeweils mit Dampf beaufschlagt werden, und an deren Fußende jeweils Sammelkanäle für das Kondensat ausgebildet sind.
Für den Fall, dass hier also ein Anfahren des luftgekühlten Vakuum-Kondensationsapparats erforderlich ist, wird Dampf aus dem Dampfkreislauf der Dampfturbinenanlage über eine Bypassleitung an einer Dampfturbine vorbei eingeleitet, wobei der Dampf hinsichtlich Druck und Temperatur zuvor konditioniert wird. In Abhängigkeit von der Dampfturbinenanlage können eine oder mehrere Dampfturbinenstufen eingesetzt werden. Daher kann grundsätzlich auch Dampf aus den unterschiedlichen Bereichen des Dampfkreislaufs an der Dampfturbine vorbeigeführt und in das Dampfleitungssystem des luftgekühlten Kondensationsapparats eingeleitet werden. Der Dampf sollte hinsichtlich Druck und Temperatur so konditioniert werden, dass dieser den Kondensationsapparat nicht beschädigt oder gar zerstört. Somit können übliche Drücke im Dampfkreislauf von ca. 30 bis 40 bar oder mehr hier auf ca. 1,0 bis 1,2 bar reduziert werden. Hierfür können geeignete Druckminderer (Bypassventile) eingesetzt werden. Darüber hinaus sollte die Temperatur des entspannten Frischdampfes durch Einspritzen von Kondensat auf das gewünschte, für den Kondensator geeignete Maß reduziert werden. Die Temperatur des konditionierten Dampfs, der über die Bypassleitung zugeführt wird, sollte 120 °C nicht wesentlich überschreiten. Bevorzugt ist hierbei, dass das Einleiten des konditionierten Dampfs über die Bypassleitung nahe eines Auslasses der Dampfturbine erfolgt, so dass möglichst das gesamte Dampfleitungssystem des luftgekühlten Kondensationsapparats mit diesem vorkonditionierten Dampf geflutet bzw. beströmt wird. Dem Fachmann ist aber klar, dass die Bypassleitung auch an jeder anderen Stelle münden kann.
Mit dem Einleiten des konditionierten Dampfs wird nun das darin zuvor befindliche Fremdgas über mindestens ein Entlüftungsventil im Einlassbereich des luftgekühlten Kondensationsapparats und mindestens ein dem luftgekühlten Kondensationsapparat nachgelagerten Entlüftungsventil ausgetrieben. Beim Durchströmen des Dampfs durch das Dampfleitungssystem wird das darin befindliche Fremdgas ausgeschoben, wobei der konditionierte Dampf zuerst das Entlüftungsventil im Einlassbereich (z. B. am Dampfverteilerrohr) erreicht und später dann auch das Entlüftungsventil im Kondensatbereich, so dass aufgrund dieser gezielten Strömungsführung das Fremdgas zu einem überwiegenden Teil ausgetrieben wird und nun ein Vakuumbetrieb nachfolgend ohne weiteres möglich ist.
Mit dem Ziel einer möglichst vollständigen und sehr schnellen Evakuierung des luftgekühlten Kondensationsapparats (z. B. in weniger als 20 Minuten oder sogar in weniger als 10 Minuten) wird während des Verfahrens wiederholt oder kontinuierlich der Dampfdruck im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparats festgestellt, wobei in Abhängigkeit des festgestellten Dampfdrucks die Konditionierung und/oder die Menge des Dampfs aus der Bypassleitung eingestellt wird. Hierfür ist insbesondere eine Kontrolleinheit vorgesehen, mit der der Dampfdruck und/oder die Temperatur am Austritt der Bypassleitung so eingestellt wird, dass die für den Kondensator gewünschten Grenzwerte zu keinem Zeitpunkt überschritten werden. In Abhängigkeit von diesen Grenzwerten kann dann die Vorkonditionierung des Dampfs und/oder die Einleitungsmenge reguliert werden. So kann bspw. die Enthalpie und/oder der Druck des Dampfs variiert werden. Alternativ oder kumulativ kann auch die Menge (Massenstrom, Volumenstrom) des Dampfs aus der Bypassleitung eingestellt werden. Für den letzteren Fall sind regelbare Ventile vorgesehen, die die Zufuhr von Dampf aus dem Dampfkreis in das Dampfleitungssystem des luftgekühlten Kondensationsapparats unterbinden können.
Mit anderen Worten besteht die Lösung der eingangs gestellten Aufgaben auch darin, nun Dampf zur Vorevakuierung eines luftgekühlten Kondensationsapparats einzusetzen. Dieser Dampf wird über den bestehenden Bypass in die Dampfleitung eingeleitet und verdrängt dort die gesammelten Inertgase, im wesentlichen Luft bei Atmosphärendruck. Die Dampfmenge kann aus dem Mittel- oder Hochdruckteil des Dampfkreislaufs entnommen werden und wird durch Einspritzen von Kondensat auf das Enthalpieniveau von Dampf bei etwa 110 °C heruntergebracht, um das Kondensationsapparat-Bauteil nicht zu gefährden. Um einen Druckanstieg über etwa 1,3 bar dort zu verhindern, wird die zugeströmte Dampfmenge entsprechend geregelt.
Der Dampf von der Bypassleitung verteilt sich nun kontinuierlich in die gesamte Anlage. Dabei sollten alle „toten Äste“ (Sackgassen) an ihrem Ende ein entsprechendes Entlüftungsventil haben, insbesondere mit jeweiliger Prüfung der Austrittstemperatur. Jedes dieser Entlüftungsventile wird (einzeln) geschlossen, sobald dort eine Austrittstemperatur von mindestens 100°C erreicht wird. Wenn alle Entlüftungsventile geschlossen sind, werden Ventilatoren eingeschaltet und die Anlage geht dann sehr schnell ins Vakuum über.
Nachdem der Dampf dann die Rohrbündel mit den Rippenrohren erreicht hat, kann die zunächst geringe Dampfmenge gesteigert werden, weil jetzt schon Kondensation in den Bündeln stattfindet, was den Druck im System senkt. Wenn nunmehr praktisch Betriebsbedingungen vorliegen, wie sie im Normalbetrieb des luftgekühlten Kondensationsapparats stromab einer Dampfturbine gewünscht sind (Vakuumbetrieb), kann der Bypass geschlossen und der Normalbetrieb begonnen werden.
Damit kann eine signifikante Reduzierung der Anfahrzeit erreicht werden, beispielsweise bei einer GuD-Anlage um mindestens 50 % oder sogar um mindestens 70 % gegenüber den eingangs genannten, bekannten Methoden. Dies stellt einen beachtlichen Fortschritt dar, weil hier Energie und Kosten reduziert werden und gleichzeitig die Umwelt entlastet wird.
Einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens folgend schließt das mindestens eine Entlüftungsventil, wenn eine vorgegebene Grenztemperatur erreicht ist. Dann wird auch die Kühlung des luftgekühlten Kondensationsapparats aktiviert.
Wie bereits oben erläutert, erreicht der konditionierte Dampf beim Durchströmen des Dampfleitungssystems z. B. zunächst den Einlassbereich des luftgekühlten Kondensationsapparats. Nun wird erkannt, dass der Dampf den Einlassbereich erreicht hat und das Entlüftungsventil zu schließen ist. Dadurch wird erreicht, dass der mit hohem technischem Aufwand erzeugte Dampf nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Dies kann bspw. messtechnisch dadurch erreicht werden, dass im Bereich dieses Entlüftungsventils die Temperatur gemessen wird und/oder das Entlüftungsventil selbst temperaturregulierend ist. Wird eine Temperatur von bspw. 100 °C erreicht (Grenztemperatur), verschließt demnach das Entlüftungsventil, weil eine solche Temperatur ein eindeutiges Indiz dafür ist, dass sich (heißer) Dampf im Bereich dieses Entlüftungsventils befindet. Weiterhin mit dem Ziel, die Anfahrprozedur möglichst rasch zu beenden, kann dann (gleichzeitig oder unmittelbar nachfolgend) die aktive Kühlung einsetzen, wobei insbesondere Ventilationseinheiten angefahren oder in Betrieb genommen werden. Durch das Hochfahren der Kühlluft-Ventilatoren wird so das Druckniveau durch Kondensation auf einen gewünschten Anfahrdruck von bspw. 25 kPa abgesenkt. Mit dem Ziel, für diesen Anfahrprozess möglichst wenig Dampf einzusetzen, sollte die Kühlung erst dann aktiviert werden, wenn alle vorhandenen bzw. zu diesem Zweck vorgesehenen Entlüftungsventile geschlossen sind, dort also bereits Dampf vorliegt.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Bypassleitung geschlossen und Dampf über die Dampfturbine dem luftgekühlten Kondensationsapparat zugeführt (Normalbetrieb), wenn der festgestellte Dampfdruck im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparats einen vorgegebenen Vakuumgrenzwert unterschreitet.
Dieser Vakuumgrenzwert wird vielfach durch die eingesetzte Dampfturbine vorgeben, weil diese ein entsprechendes Vakuum (z. B. 25 kPa) benötigt, um einwandfrei und dauerhaft arbeiten zu können.
Hierbei ist besonders bevorzugt, dass der über die Dampfturbine zugeführte Dampfstrom mit einer solchen Steigerung zugeführt wird, dass binnen spätestens zwei Minuten der Massenstrom durch den luftgekühlten Kondensationsapparat den 6-fachen Wert erreicht.
Mit anderen Worten bedeutet das insbesondere, dass wiederum sehr rasch nach dem Verschließen der Bypassleitung der durchgeleitete Dampfmassenstrom über die Dampfturbine angehoben werden kann. Werden bspw. während der Anfahrstrategie in der Regel nicht mehr als 10 kg/s [Kilogramm pro Sekunde] Dampf zugeführt (GuD-Block 400MWe; Evakuierungsvolumen 4.300 m³), so kann dann mit Erreichen des Vakuumgrenzwerts (25 kPa) die zuströmende Dampfmenge schnell auf bspw. mehr als 80 kg/s, 100 kg/s oder gar 120 kg/s angehoben werden. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die vorstehend genannten Dampfmengen bereits binnen einer (1) Minute erreicht werden.
Das Verfahren wird auch dann als vorteilhaft angesehen, wenn eine Entlüftung des Dampfleitungssystems des luftgekühlten Kondensationsapparats während des Normalbetriebs über ein separates Evakuierungsleitungssystem erfolgt.
Die sogenannte „Betriebs-Evakuierung“ kompensiert (nur noch) die üblicherweise während des Normalbetriebs anfallenden Luftleckagen, wie sie bspw. aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich der Dampfturbine und/oder Flanschen des Dampfleitungssystems anfallen. Eine solche „Betriebs-Evakuierung“ ist vielfach bekannt und bedarf daher hier keiner weiteren Erläuterung.
Damit ist jedoch klar, dass das Verfahren so abgestimmt ist, dass für den Anfahrprozess ein Fluten des Systems (nur) über die Bypassleitung erfolgt, während das separate Evakuierungsleitungssystem nur dazu dient, während des Normalbetriebs Luft und/oder Inertgase (Fremdgase) abzusaugen.
Weiterhin wird als vorteilhaft angesehen, dass die Fremdgase mittels des über die Bypassleitung eingeleiteten Dampfs über mindestens ein weiteres Entlüftungsventil an zumindest einer der folgenden Positionen ausgetriebenen werden: am Auslass der Dampfturbine, an einem dem luftgekühlten Kondensationsapparat nachgeordneten Kondensat-Tank, einer Leitung des separaten Evakuierungsleitungssystems, einer Leitung eines der Dampfturbine nachgelagerten Entwässerungssystems.
Ganz besonders bevorzugt ist, dass mindestens ein solches, für diesen Einsatzzweck geeignetes und eingerichtetes Entlüftungsventil an jedem „geschlossenen Ende“ des Dampfleitungssystems vorgesehen ist. Damit wird dem Gedanken Rechnung getragen, dass sich der konditionierte Dampf ausgehend von der Mündung der Bypassleitung in das Dampfleitungssystem in alle Richtungen verteilt, so dass ggf. darin vorliegende Fremdgase nun zu jeweils allen Enden verdrängt werden. Dort ist also in entsprechender Weise ein Entlüftungsventil vorzusehen, das insbesondere wiederum thermisch reguliert ist, also automatisch bei Feststellen einer erhöhten Temperatur (Dampf) schließt.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird ein luftgekühlter (Vakuum-)Kondensationsapparat vorgeschlagen, der insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäß beschriebenen Verfahrens vorgesehen und eingereicht ist.
Der luftgekühlte Kondensationsapparat umfasst zumindest:

– einen Einlassbereich für Dampf mit einem Dampfverteilungsabschnitt mit mindestens einem Entlüftungsventil,
– einen ersten Wärmetauscherabschnitt und einen zweiten so genannten Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt,
– eine Ventilationseinheit,
– ein mit dem Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt verbundenes separates Evakuierungsleitungssystem,
– einen Kondensatbereich nachfolgend den Wärmetauscherabschnitten.

Bei diesem luftgekühlten Kondensationsapparat handelt es sich insbesondere um einen dachförmig und ggf. modulweise aufgebauten, Vakuum-Kondensationsapparat zur Kondensation von Dampf mit Luft. Der Einlassbereich wird insbesondere durch ein zentrales Dampfverteilerrohr gebildet, welches hier den Dampfverteilerabschnitt des Dampfleitungssystems bildet. Je nach Länge bzw. Größe des Kondensationsapparats können mehrere Entlüftungsventile hier positioniert sein.
Die Schrägen des Dachs werden mit Rohrbündeln gebildet, die eine Vielzahl von Rippenrohren aufweisen. In den meisten dieser Rohrbündel findet eine reine Kondensation statt, wobei diese Rohrbündelpakete hier jeweils mit einem „ersten Wärmetauscherabschnitt“ gekennzeichnet sind. Über diese ersten Wärmetauscherabschnitte können bis zu 90 % des Kondensats gebildet bzw. abgeführt werden. Nur ein kleiner Teilbereich, der sogenannte Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt weist einen etwas anderen Strömungsweg des Dampfs auf (z. B. Gegenstrom) und sammelt insofern die Fremdgase. Dieser Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt betrifft bevorzugt nur ca. 15–10 % der dampfdurchströmten Fläche. Es soll hier auch darauf hingewiesen werden, dass ggf. eine Vielzahl von Modulen solcher Dachkonstruktionen zu sehr großen luftgekühlten Kondensationsapparaten zusammengesetzt sind, wobei regelmäßig jedes Modul einen entsprechenden Aufbau mit ersten Wärmetauscherabschnitten und zweiten sogenannten Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitten aufweist, auch wenn das nicht zwingend ist. In einer anderen geläufigen Bauform ist die Funktion des ersten Wärmetauscherabschnitts und des zweiten Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitts auf verschiedene Module verteilt. Bevorzugt wird jedem dieser Module auch mindestens eine Ventilationseinheit zugeordnet. Damit wird Umgebungsluft angesaugt und durch die Wärmetauscherabschnitte bzw. die Rippenrohre der Rohrbündel hindurchgeführt. Beim Überstreichen der Oberfläche nimmt die Umgebungsluft Wärme auf, die im Inneren der Rippenrohre mit dem Dampf mitgeführt wird. Dadurch erfolgt die Kondensation des Dampfs zu Wasser im Kondensationsapparat.
Mit dem Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt ist ein separates Evakuierungsleitungssystem verbunden, mit dem im Vakuum-Betrieb die Fremdgase abgesaugt und abgeführt werden können. Dabei ggf. mit abgesaugter Dampf kann auch in diesem Evakuierungsleitungssystem rückgewonnen werden. Das daraus resultierende Kondensat wird ebenfalls dem Kreislauf wieder zugeführt. Dieses separate Evakuierungsleitungssystem ist jedoch gerade nicht so ausgelegt, dass es in der Lage ist, einen Anfahrprozess (allein) durchzuführen, also es ist insbesondere nicht geeignet, große Volumenströme an Fremdgasen auszutragen.
Weiterhin ist noch ein Kondensatbereich nachfolgend den Wärmetauscherabschnitten vorgesehen, wobei dieser insbesondere Wasserleitungen und einen entsprechenden Wassertank bzw. Kondensat-Tank umfasst. Hiervon ausgehend kann das Kondensat nun abgepumpt und dem Dampfkreislauf erneut zugeführt werden.
Wesentlich ist demnach insbesondere, dass der hier vorgeschlagene luftgekühlte Kondensationsapparat selbst keine Anfahrapparatur bzw. Anfahrevakuierung aufweist, wie sie sonst erforderlich ist. Eine solche Anfahrevakuierung ist vom Fachmann leicht zu identifizieren, weil diese üblicherweise (im Vergleich zur Betriebs-Evakuierung) besonders dicke Abzugsrohre mit Schalldämpfer aufweisen. Dieser apparative Aufwand kann hier vermieden werden.
Weitere Entlüftungsventile können bspw. am Kondensat-Tank vorgesehen sein. Da diese Module meist auch unabhängig von dem Dampfturbinenkreislauf angeboten und vertrieben werden, kann der Fachmann einfach erkennen, dass eine entsprechende Anfahrapparatur fehlt, wie sie üblicherweise vorliegt, und stattdessen entsprechend angepasst und eingerichtete Entlüftungsventile vorgesehen sind.
Als Entlüftungsventil kann z.B. bis zu mittleren Nenndurchmessern der Dampfleitung (bis ca. 100 mm) ein Magnetventil vorgesehen sein. Insbesondere für größere Nenndurchmesser kann das Entlüftungsventil mit einer Klappe mit Stellantrieb ausgeführt sein. Ein Temperaturfühler vor dem Entlüftungsventil kann das Signal zum Schließen dann auslösen.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten technischen Merkmale eines solchen luftgekühlten Kondensationsapparats können bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergänzend zur Anwendung kommen. Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörtert wurden, können also auch bei der Vorrichtung Verwendung finden und umgekehrt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematischer Natur, wobei gleiche Bauteile regelmäßig auch in unterschiedlichen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen wurden. Es zeigen:
1: schematisch ein Beispiel einer Dampfturbinenanlage,
2: schematisch ein Beispiel eines luftgekühlten Kondensationsapparats, und
3: ein Beispiel eines luftgekühlten Kondensationsapparats gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Dampfturbinenanlage 2. Dabei wird zunächst Dampf in einem Kessel 22 erzeugt und dieser Dampf durchströmt dann das Dampfleitungssystem 3. In der hier gezeigten Ausführungsvariante sind zwei Stufen einer Dampfturbine 6 und ein Zwischenerhitzer 23 veranschaulicht, die Teil des Dampfkreislaufs 4 sind. Dabei kann die beim Durchströmen der Dampfturbine gewonnene Energie einem Generator oder dergleichen zugeführt werden. Stromauf der ersten Stufe der Dampfturbine 6 (Hochdruck) und/oder stromauf der zweiten bzw. letzten Stufe der Dampfturbine 6 (Niederdruck) kann eine Bypassleitung 5 abzweigen, die zum Dampfleitungssystem 3 nachfolgend der Dampfturbine 6 aber vor dem luftgekühlten Kondensationsapparat 1 mündet. Teil der Bypassleitung 5 ist ein Konditionierer 26, in dem der die Bypassleitung 5 durchströmende Dampf gezielt hinsichtlich Kondensatanteil, Druck, Temperatur, etc. behandeln kann. Die Bypassleitung 5 ist hier beispielsweise nahe der Mündung hin zum Dampfleitungssystem 3 mittels geeigneter Ventile verschlossen. Der im Normalbetrieb die Dampfturbine durchströmende Dampf wird dann in dem luftgekühlten Kondensationsapparat 1 im Vakuum kondensiert, wobei das Kondensat dann über eine Pumpe 24 wieder dem Kessel 22 zugeführt werden kann.
In 2 ist nun eine Ausführungsvariante des rechten Figurenbestandteils aus 1 größer dargestellt und veranschaulicht. Im linken oberen Bereich von 2 ist erneut die Niederdruckstufe der Dampfturbine 6 zu erkennen, an die sich eine Leitung 13 für den Dampf (siehe schwarzer Pfeil) anschließt. An einem (geodätischen) Tiefpunkt der Leitung 13 ist bspw. ein Entwässerungssystem 14 vorgesehen, wobei hier an der Leitung 13 kondensierter Dampf bereits entnommen werden kann. Zwischen dieser Dampfturbine 6 und einem Einlassbereich 8 des luftgekühlten Kondensationsapparats 1 ist hier schematisch die Mündung einer Bypassleitung 5 angedeutet.
Im Normalbetrieb strömt der Dampf entsprechend den schwarzen Pfeilen über den Einlassbereich 8 in die ersten Wärmetauscherabschnitte 16 des Kondensationsapparats 1. Bei der hier veranschaulichten Ausführungsvariante sind diesseits links und rechts jeweils zwei erste Wärmetauscherabschnitte 16 und zentral ein einzelner zweiter (Gegenstrom- oder Dephlegmator-)Wärmetauscherabschnitt 17 vorgesehen. Diese Wärmetauscherabschnitte, die regelmäßig durch eine Vielzahl von Rippenrohren 25 gebildet sind, sind dachförmig auf einem Gestell 31 angeordnet und durchströmen die ersten Wärmetauscherabschnitte 16 von oben nach unten. Im zweiten Wärmetauscherabschnitt 17 ist nach Art eines Dephlegmators eine umgekehrte bzw. andere Strömungsumlenkung realisiert (Gegenlauf von Dampf und Kondensat), so dass sich hier bspw. im oberen Bereich Fremdgase sammeln. Diese können dann im Betrieb von einem separaten Evakuierungsleitungssystem 10 entfernt bzw. abgesaugt werden. Die Kühlung des Dampfs erfolgt über mindestens einen, regelmäßig aber eine Mehrzahl von Ventilationseinheiten 18, die zusammen eine Kühlung 9 für den luftgekühlten Kondensationsapparat 1 bilden. Das in den Wärmetauscherabschnitten 16, 17 gebildete Kondensat wird dann einem Kondensat-Tank 12 zugeführt, wobei das insgesamt im Dampfleitungssystem 3 gewonnene Kondensat ggf. gemeinsam mittels einer Pumpe 24 abgeführt werden kann. Zwischen der Leitung 13 stromauf der Wärmetauscherabschnitte 16, 17 und dem Kondensat-Tank 12 kann eine Druckausgleichsleitung 20 vorgesehen sein, die hier aber keine besondere Funktion für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung hat.
Die Anfahrstrategie, wonach Dampf bspw. nach einem Neustart über die Bypassleitung 5 hinzugeführt wird, erlaubt die Vakuumherstellung und das Austreiben der in der Anlage bzw. der Leitung 13 zu diesem Zeitpunkt befindlichen Luft über eine Mehrzahl von Entlüftungsventile 7, die bspw. im Einlassbereich 8 des luftgekühlten Kondensationsapparats 1 und am Kondensat-Tank 12 vorgesehen sind. Erreicht der Dampf die jeweiligen Entlüftungsventile 7, so verschließen sich diese vorzugsweise, so dass tatsächlich im Wesentlichen nur Luft aus diesen Entlüftungsventilen 7 entweicht.
3 veranschaulicht in einem etwas größeren Detail schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Links beginnend ist erneut das Dampfleitungssystem 3 mit der (letzten) Dampfturbine 6 angedeutet. Die von der Dampfturbine 6 abgegriffene Energie wird hier einem Generator 21 zugeführt.
Folgt man dem Dampfleitungssystem bzw. der Leitung 13, so schließt sich hier bspw. ein Entwässerungssystem 14 an, bevor die Mündungen der Bypassleitungen 5 erreicht werden. Hierbei sind eine (erste) Bypassleitung 5 mit einem Hochdruckbereich und eine andere (zweite) Bypassleitung mit einem Niederdruckbereich des Dampfleitungssystems der Dampfturbinenanlage verbunden. In Strömungsrichtung des Dampfs folgt dann eine Druckausgleichsleitung 20, die mit dem Kondensat-Tank 12 verbunden ist.
Das Dampfleitungssystem 3 bzw. die Leitung 13 trifft dann auf den Einlassbereich 8 eines dachförmig aufgebauten luftgekühlten Vakuum-Kondensationsapparats 1. Der Einlassbereich 8 ist hier bspw. mit einem Dampfverteilerrohr gebildet, das zentral oben positioniert ist. Darunter schließen sich rechts und links jeweils schräge Anordnungen von Rippenrohren 25 an, die je nach Anordnung bzw. Ausgestaltung einen ersten Wärmetauscherabschnitt 16 bzw. einen zweiten (Dephlegmator-) Wärmetauscherabschnitt 17 ausbilden. Beim Durchströmen dieser Wärmetauscherabschnitte 16, 17 und gleichzeitig aktivierter Ventilationseinheiten 18 wird der Dampf in den Rippenrohren 25 unter Vakuum (Drücke kleiner 25 kPa) sicher kondensiert. Das Kondensat strömt dann ab bzw. wird weitergeleitet hin zum Kondensat-Tank 12.
Während des Betriebs eindringende Fremdgase (Inertgas, Luft, etc.) werden über ein separates Evakuierungsleitungssystem 10 abgesaugt, wobei dieses Evakuierungsleitungssystem 10 (nur) mit dem zweiten (Dephlegmator-) Wärmetauscherabschnitt 17 verbunden ist. Teil dieses Evakuierungsleitungssystems 10 ist ein Dampfstrahler 27, mit dem das dort mit abgezogene Dampfvolumen ebenfalls kondensiert und wieder rückgeführt wird. Auch wenn hier ein zweistufiger Dampfstrahler 27 mit einem zusätzlichen Wärmetauscher dargestellt ist, so muss ein solches Evakuierungsleitungssystem 10 nicht entsprechend aufgebaut sein. Es sind auch Bauformen bekannt, bei denen statt des Dampfstrahlers Wasserringpumpen eingesetzt werden.
Die hier skizzierte Vorrichtung ist nun insbesondere dafür eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Wird also bspw. festgestellt, dass in einem Großteil des (hier dargestellten) Dampfleitungssystems 3 bzw. der Leitung 13 und/oder den Rippenrohren 25 Luft enthalten ist, muss diese Apparatur zunächst hochgefahren bzw. in den Vakuumzustand überführt werden. Zu diesem Zweck wird Dampf über wenigstens eine der beiden Bypassleitungen 5 in die Leitung 13 eingeführt.
Der vorkonditionierte Dampf strömt dann bspw. hin zur Dampfturbine 6, wobei hier wiederum ein Entlüftungsventil 7 am Auslass 11 der Dampfturbine 6 vorgesehen ist, über welches die Luft entweichen kann.
Ebenso kann ein Teil des eingeleiteten Dampfs hin zum Entwässerungssystem 14 strömen, wobei auch hier ein Entlüftungsventil 7 vorgesehen sein kann.
Weiterhin ist es dem Dampf möglich, entlang der Druckausgleichsleitung 20 in den Kondensat-Tank 12 zu strömen, wobei auch hier zur Beseitigung der Luft (oder anderer Fremdgase) entsprechend geeignete Entlüftungsventile 7 vorgesehen sein können.
Ein Großteil des eingeleiteten Dampfs kann aber den Einlassbereich 8 erreichen, wobei in diesem Fall bereits die gesamte vorgelagerte Leitung 13 von Luft befreit ist. Am Einlassbereich 8 ist demnach bspw. eine Vielzahl von Entlüftungsventilen 7 vorgesehen, über die die aus der Leitung 13 stammende Luft ausgetrieben wird. Sobald hier Dampf (bspw. mittels eines Temperaturfühlers 28) erkannt wird, werden die Entlüftungsventile 7 (versetzt oder gleichzeitig) geschlossen, so dass nun der Dampf weiter die Wärmetauscherabschnitte 16, 17 durchströmt und dort die Luft austreiben kann. Der kleinere Teil des eingeleiteten Dampfs wird dabei durch die Rippenrohre und die nachgelagerten Leitungen des Kondensatbereichs 19 in den Kondensat-Tank 12 strömen, wobei auch hier wieder Entlüftungsventile 7 am Kondensat-Tank 12 zur Entfernung der Luft dienen.
Der größere Teil des über die Bypassleitung 5 einströmenden Dampfs erreicht das separate Evakuierungsleitungssystem 10, wobei auch an dessen Ende ein geeignetes Entlüftungsventil 7 vorgesehen sein kann.
Allen Entlüftungsventilen ist bevorzugt gemein, dass diese temperaturgeregelt sind. Das heißt insbesondere, dass diese bei einer erreichten Grenztemperatur, bspw. ca. 100 °C, selbständig schließen. Nach Erreichen des Vakuum-Betriebs wird das Wieder-Öffnen der geschlossenen Lüftungsventile bis zum nächsten Wieder-Anfahren verhindert.
Die Anfahrprozedur wird insbesondere von einer (ggf. separaten) Kontrolleinheit 30 geregelt. So können bspw. Druck und/oder Temperatur im luftgekühlten Kondensationsapparat 1 mittels mindestens einem Temperaturfühler 28 und/oder mindestens einem Druckfühler 29 überwacht bzw. ermittelt werden. Die Kontrolleinheit 30 nutzt die Erkenntnisse insbesondere zur Kontrolle bzw. Regelung der Konditionierung und/oder der Zuströmmenge des Dampfs über die Bypassleitung 5.
Vorsorglich sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gemeinsam dargestellten technischen Merkmale nicht alle zwingend miteinander kombiniert vorliegen müssen. Vielmehr zeigen die Figuren technische Details, die einzeln mit technischen Details anderer Figuren und/oder Erläuterungen weiter oben problemlos vom Fachmann kombiniert werden können. Eine Merkmalskombination soll hier nur dann als zwingend gelten, wenn dies explizit so angegeben wurde.
Die Erfindung führt insbesondere dazu, die eingangs angeführten Aufgaben zu lösen. Insbesondere erreicht die Erfindung, dass bei einem Neustart der Dampfturbinenanlage sehr schnell wieder für den luftgekühlten Vakuum-Kondensationsapparat geeignete Betriebsbedingungen vorliegen, so dass ein Normalbetrieb möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: luftgekühlter Kondensationsapparat
2: Dampfturbinenanlage
3: Dampfleitungssystem
4: Dampfkreislauf
5: Bypassleitung
6: Dampfturbine
7: Entlüftungsventil
8: Einlassbereich
9: Kühlung
10: Evakuierungsleitungssystem
11: Auslass
12: Kondensat-Tank
13: Leitung
14: Entwässerungssystem
15: Dampfverteilerabschnitt
16: erster Wärmetauscherabschnitt
17: zweiter (Dephlegmator-)Wärmetauscherabschnitt
18: Ventilationseinheit
19: Kondensatbereich
20: Druckausgleichsleitung
21: Generator
22: Kessel
23: Zwischenerhitzer
24: Pumpe
25: Rippenrohr
26: Konditionierer
27: Dampfstrahler
28: Temperaturfühler
29: Druckfühler
30: Kontrolleinheit
31: Gestell

Claims

Verfahren zum Betrieb eines luftgekühlten Kondensationsapparates (1) einer Dampfturbinenanlage (2), umfassend zumindest die folgenden Schritte: – Feststellen, dass ein Großteil des Dampfleitungssystems (3) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) ein Fremdgas enthält, – Einleiten von Dampf aus einem Dampfkreislauf (3) der Dampfturbinenanlage (2) über eine Bypassleitung (5) an einer Dampfturbine (6) vorbei, wobei der Dampf hinsichtlich Druck und Temperatur zuvor konditioniert wird, – Austreiben des Fremdgases mit dem konditionierten Dampf über mindestens ein Entlüftungsventil (7) im Einlassbereich (8) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) und mindestens ein dem luftgekühlten Kondensationsapparat (1) nachgelagertes Entlüftungsventil (7), – Feststellen eines Dampfdrucks im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparates (1), wobei in Abhängigkeit des festgestellten Dampfdrucks zumindest die Konditionierung des Dampfes aus der Bypassleitung (5) oder die Menge des Dampfes aus der Bypassleitung (5) eingestellt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das mindestens eine Entlüftungsventil (7) schließt, wenn eine vorgegebene Grenztemperatur erreicht ist, und dann die Kühlung (9) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Bypassleitung (5) geschlossen und Dampf über die Dampfturbine (6) dem luftgekühlten Kondensationsapparates (1) zugeführt wird (Normalbetrieb), wenn der festgestellte Dampfdruck im Bereich des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) einem vorgegebenen Vakuumgrenzwert unterschreitet.
Verfahren nach Patentanspruch 3, bei dem der über die Dampfturbine (6) zugeführte Dampfstrom mit einer solchen Steigerung zugeführt wird, dass binnen spätestens zwei Minuten der Massenstrom durch den luftgekühlten Kondensationsapparat (1) den 6-fachen Wert erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem eine Entlüftung des Dampfleitungssystems (3) des luftgekühlten Kondensationsapparates (1) während des Normalbetriebs über ein separates Evakuierungsleitungssystem (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Fremdgase mittels des über die Bypassleitung (5) eingeleiteten Dampfes über mindestens ein weiteres Entlüftungsventil (7) an zumindest einer der folgenden Positionen ausgetriebenen werden: am Auslass (11) der Dampfturbine (6), an einem dem luftgekühlten Kondensationsapparat (1) nachgeordneten Kondensat-Tank (12), einer Leitung (13) des separaten Evakuierungsleitungssystems (10), einer Leitung (13) eines der Dampfturbine (6) nachgelagerten Entwässerungssystems (14).
Luftgekühlter Kondensationsapparat (1), umfassend zumindest: – einen Einlassbereich (8) für Dampf mit einem Dampfverteilerabschnitt (15) mit mindestens einem Entlüftungsventil (7), – einen ersten Wärmetauscherabschnitt (16) und einen zweiten so genannten Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt (17), – eine Ventilationseinheit (18), – ein mit dem Dephlegmator-Wärmetauscherabschnitt (17) verbundenes separates Evakuierungsleitungssystems (15), – einen Kondensatbereich (19) nachfolgend den Wärmetauscherabschnitten (16, 17).