蒸汽涡轮机和运行蒸汽涡轮机的方法与流程

本发明涉及一种蒸汽涡轮机和一种用于运行蒸汽涡轮机的方法。

背景技术：

在蒸汽发电厂中使用蒸汽作为工作介质来运行蒸汽涡轮机。水蒸汽在蒸汽锅炉中被加热，并作为工艺蒸汽通过管道流入蒸汽涡轮机中。在蒸汽涡轮机中，先前吸收的工作介质能量转换为动能。通过动能使发电机运行，发电机将所产生的机械能转换为电能。然后，经膨胀和冷却的工艺蒸汽流入冷凝器，在冷凝器中，工艺蒸汽通过热交换器中的热传递而被冷凝，并且以液态水的形式重新返回到蒸汽锅炉被加热。

传统的蒸汽涡轮机具有至少一个高压部分和至少一个低压部分。在低压部分中，工艺蒸汽的温度急剧下降，由此可能导致工艺蒸汽的部分冷凝。在此，低压部分对工艺蒸汽的水分含量非常敏感。如果在蒸汽涡轮机低压部分中的工艺蒸汽达到约8％至10％的水分含量，则必须采取措施，以便在进入低压部分之前将工艺蒸汽的水分含量降低至允许程度。

为了提高蒸汽发电厂的效率，工艺蒸汽为此会在进入低压部分之前被输送至中间过热处理。工艺蒸汽在中间过热处理中被加热，使得水分含量下降。在这样的中间过热处理的情况下，整个蒸汽质量流在高压部分之后从蒸汽涡轮机中被抽取，被输送至中间过热处理，并且提高到近似于新鲜蒸汽的温度。然后将工艺蒸汽输送到低压部分。如果没有这样的中间过热处理，则必须停止蒸汽涡轮机，因为冷凝的水滴可能会撞到旋转的涡轮机叶片，从而会引起涡轮机的损坏。

在多级蒸汽涡轮机中，在各个涡轮机级之间对工艺蒸汽进行这样的中间过热处理。这将产生更高的效率，因为通过经过热处理的水蒸汽可以在涡轮机级中产生更高效的机械能。

在蒸汽涡轮机中实施过热系统时，外壁材料会受到很高的负荷，特别是在各个涡轮机级之间的外壁材料会受到很高的负荷。在第一涡轮机级处，将较冷的水蒸汽抽取，输送至中间过热处理，并且将被加热的工艺蒸汽输送至第二涡轮机级。在此，在第一涡轮机级和第二涡轮机级之间的过渡部中的外壁中，将出现较高的温差。由于第一涡轮机级的从中抽取较冷工艺蒸汽的末端与第二涡轮机级的被输送来自中间过热器的较热工艺蒸汽的初端彼此紧靠在一起，因此在外壁中会产生较高的热应力。这可能导致外壁泄漏或破裂。此外还存在以下风险：在从第一涡轮机级抽取较冷的工艺蒸汽时，湿蒸汽参数占主导，并且冷凝物由此被施加到外壳的内壁处。冷凝物将附加地冷却外壁的内侧。由此将增大外壁处的热应力。为了防止经过热处理的工艺蒸汽引起有害的热应力，将经过热处理的工艺蒸汽冷却以减小热应力。这通常在上游的流入壳体中进行。然而，这些附加的流入壳体可能导致能量损失。

在单罩或单壳式蒸汽涡轮机具有中间过热处理的情况下，在两个位置将经强烈过热处理的工艺蒸汽导入涡轮机中。在此，特别是蒸汽涡轮机外壳由于出现的温度和压力而受到强烈的热应力。

目前，具有中间过热处理的蒸汽涡轮机或者被实施为双罩式涡轮机壳体，或者使用较低的蒸汽参数从而使单罩式蒸汽涡轮机外壳不会过载。

然而，出现的所需参数经常超过单罩式涡轮机壳体的可行参数。欧洲专利ep2997236b1提出了一种蒸汽涡轮机，其至少部分地考虑了上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种紧凑、安全和高效的蒸汽涡轮机以及提供一种相应地运行蒸汽涡轮机的方法。

上述目的通过权利要求实现。上述目的特别是通过根据权利要求1的蒸汽涡轮机和根据权利要求10的方法来实现。本发明的其他优点从从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合蒸汽涡轮机说明的特征和细节当然也适用于根据本发明的方法，反之亦然，从而关于本发明各个方面的公开始终可以相互参照。

根据本发明的第一方面，提供了一种蒸汽涡轮机。该蒸汽涡轮机具有蒸汽涡轮机外壳。此外，蒸汽涡轮机具有高压内壳，该高压内壳具有第一工艺蒸汽入口部和第一工艺蒸汽出口部，以用于将工艺蒸汽通过高压内壳从第一工艺蒸汽入口部沿第一工艺蒸汽膨胀方向引导至第一工艺蒸汽出口部。此外，蒸汽涡轮机具有低压内壳，该低压内壳具有第二工艺蒸汽入口部和第二工艺蒸汽出口部，以用于将工艺蒸汽通过低压内壳从第二工艺蒸汽入口部沿第二工艺蒸汽膨胀方向引导至第二工艺蒸汽出口部。另外，蒸汽涡轮机具有中间过热器，该中间过热器被布置在高压内壳的下游并且在低压内壳的上游，其中高压内壳和低压内壳被布置在蒸汽涡轮机外壳的内部。高压内壳和低压内壳被布置成使得高压内壳的第一蒸汽入口部朝向低压内壳的第二蒸汽入口部。

“高压内壳的第一蒸汽入口部朝向低压内壳的第二蒸汽入口部”可理解为高压内壳的第一蒸汽入口部指向或对准与低压内壳的第二蒸汽入口部相反的方向或基本上相反的方向。相应地，第一工艺蒸汽膨胀方向与第二工艺蒸汽膨胀方向相反地或基本上相反地延伸。

也就是说，高压内壳和低压内壳被布置成使得流过高压内壳的工艺蒸汽溢流方向与流过低压内壳的工艺蒸汽溢流方向相反地延伸，特别是成180°相反地延伸。

根据本发明的高压内壳和低压内壳的布置方式从根本上背离了常规设计。在本发明范围内进行的实验表明，通过根据本发明的布置方式不仅能够缩短轴承间距，而且还能够以特别安全的方式运行蒸汽涡轮机。由于轴承间距缩短，因此可以相应紧凑地构造蒸汽涡轮机。这进而实现了关于蒸汽涡轮机转子动力学的特别有利的设计。

通过使用本发明的蒸汽涡轮机，可以将呈新鲜蒸汽形式的经过热处理的工艺蒸汽输送到与蒸汽方向反向旋转的高压内壳中，并且可以膨胀到所谓的冷却的中间过热处理的压力和温度水平。在工艺蒸汽从高压内壳中逸出之后，该工艺蒸汽可以被引导至中间过热器。来自中间过热器的经中间过热处理的工艺蒸汽现在可以被引到朝向主流动方向的低压内壳中，并且可以在低压内壳中膨胀，直到在蒸汽涡轮机中冷凝。

在此，“低压内壳”应理解为这样一种内壳，在该内壳中至少平均而言占主导的是比在高压内壳中更低的压力，或者说产生比在高压内壳中更低的压力。也就是说，低压内壳特别是也可理解为中压内壳。因此，在一种优选的设计变型方案中，低压内壳可以被理解为中压内壳。

“工艺蒸汽”应理解为在蒸汽涡轮机运行期间流过蒸汽涡轮机的构件的蒸汽，特别是水蒸汽。

通过根据本发明的高压内壳和低压内壳的布置方式可以使低压内壳中的激励力最小化，因为仅来自中间过热处理的压差起作用。工艺蒸汽可以直接被导入下一构件，例如另一低压内壳，以进行进一步膨胀，而不必首先被转移。此外，在所提出的布置方式中还可以节省密封罩。也就是说，在第二工艺蒸汽出口部处，工艺蒸汽可以从低压内壳或中压内壳直接导入低压内壳或另一低压内壳中，这是因为低压或中压内壳的工艺蒸汽膨胀方向与该另一低压内壳的工艺蒸汽膨胀方向相同。

在此，“膨胀方向”应理解为工艺蒸汽实质上被移动或引导的方向。也就是说，如果蒸汽涡轮机区段中的工艺蒸汽例如以螺线形或螺旋形从左向右移动，则可简单地理解为是指向右的线性膨胀方向。此外，在本发明中，“膨胀方向”应理解为从高压区域到低压区域或到具有比高压区域中压力低的压力区域的压力方向。相应地，上游的蒸汽涡轮机区段应理解为与膨胀方向反向布置的区段。

根据本发明的改进方案可行的是，在蒸汽涡轮机中在高压内壳的下游形成工艺蒸汽偏转部，以用于使来自第一蒸汽出口部的工艺蒸汽沿与第一蒸汽膨胀方向相反的方向偏转到蒸汽涡轮机的冷却管路中，其中冷却管路形成在与高压内壳相邻的区域中。由此，能够以简单且节省空间的方式使用冷的工艺蒸汽来冷却蒸汽涡轮机外壳，从而冷却蒸汽涡轮机。这又可以保护蒸汽涡轮机以防过热，从而可以特别安全地运行。为此，来自高压内壳的工艺蒸汽可以被偏转到主流动方向，并且可以绕高压内壳的外部被引导。为了获得期望的冷却效果，沿着蒸汽涡轮机外壳的内壁和/或沿着高压内壳的外壁布置或形成冷却管路。

此外可行的是，在根据本发明的蒸汽涡轮机中，冷却管路至少局部地布置在蒸汽涡轮机外壳的内壁和高压内壳的外壁之间，特别是直接布置在蒸汽涡轮机外壳的内壁和高压内壳的外壁之间。也就是说，工艺蒸汽可以至少局部地围绕高压内壳或沿着高压内壳被引导，然后可以直接或间接地通过蒸汽涡轮机外壳被导出到中间过热器。由此可以实现对蒸汽涡轮机外壳有利的冷却效果。

此外可行的是，在根据本发明的蒸汽涡轮机中，冷却管路可以附加或替代地至少局部地布置在蒸汽涡轮机外壳的内壁和低压内壳的外壁之间，特别是直接布置在蒸汽涡轮机外壳的内壁和低压内壳的外壁之间。也就是说，工艺蒸汽还可以至少局部地围绕低压内壳或沿着低压内壳被引导，然后通过蒸汽涡轮机外壳被导出到中间过热器。由此可以进一步提高对蒸汽涡轮机外壳的冷却效果。总而言之，由此实现了一种用于蒸汽涡轮机的特别节省空间、高效且功能可靠的冷却系统。

另外，在根据本发明的蒸汽涡轮机中可行的是，在高压内壳的形成第一工艺蒸汽入口部的上游端部处布置有用于密封高压内壳上游端部的高压密封罩，并且在低压内壳的形成第二工艺蒸汽入口部的上游端部处布置有用于密封低压内壳的上游端部的低压密封罩，其中高压密封罩和低压密封罩彼此相邻地布置。在本发明范围内进行的实验表明，蒸汽涡轮机在该区域具有两个密封罩可以易于组装、拆卸、维护和修理。尽管如此仍可实现相对紧凑的设计。在此，相邻布置应理解为彼此邻近的布置，即不一定彼此直接相邻。也就是说，在密封罩之间还可以布置其他构件，或者两个密封罩优选地以微小间距彼此邻近地布置但彼此不直接相邻。

替代可行的是，在根据本发明的蒸汽涡轮机中，在高压内壳的形成第一工艺蒸汽入口部的上游端部处并且在低压内壳的形成第二工艺蒸汽入口部的上游端部处布置有用于密封两个端部的共同的密封罩。通过这种设计或措施，能够以特别紧凑的方式提供蒸汽涡轮机。此外可以省去另一密封罩的使用。这促使蒸汽涡轮机中的重量减轻，并且使得在蒸汽涡轮机制造中的物流工作减少。

另外，在根据本发明的蒸汽涡轮机中，在低压内壳的下游端部处可以形成密封腹板，以用于密封在低压内壳的下游端部与蒸汽涡轮机外壳之间的蒸汽涡轮机区域。在本发明的蒸汽涡轮机中，工艺蒸汽在运行期间在低压内壳周围流动，而高压内壳通过密封腹板与低压内壳分离，该密封腹板优选地形成为在低压内壳的下游端部处集成的密封腹板。通过使用密封腹板，可以省去低压内壳的下游端部处的内部密封罩。密封腹板的结构明显没有密封罩复杂。在这里应注意，在本文中密封罩可理解为现有技术中惯用的密封罩，因此在本文中不再对其详细说明。

进一步有利的是，将中间过热器布置在蒸汽涡轮机外壳的外部。这特别是对于蒸汽涡轮机的组装、拆卸、维护和修理是有利的。

在根据本发明的蒸汽涡轮机中进一步可行的是，高压内壳和低压内壳被提供为独立的构件。其优点在于，可以根据模块化原理简单且低成本地构造蒸汽涡轮机。在此，本发明优选地涉及到单个蒸汽涡轮机外壳中的工艺蒸汽从高压膨胀到低于中间过热处理压力的压力。低压膨胀可以在同一蒸汽涡轮机的独立区段中进行或在单独的低压蒸汽涡轮机中进行。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于运行如上详细说明的蒸汽涡轮机的方法。由此，根据本发明的方法的优点与结合根据本发明的蒸汽涡轮机详细描述的优点相同。该方法包括以下步骤：

-将来自工艺蒸汽源的工艺蒸汽通过第一工艺蒸汽入口部引导到高压内壳中，

-将工艺蒸汽从第一工艺蒸汽入口部引导到第一工艺蒸汽出口部，并且

-将工艺蒸汽通过第一工艺蒸汽出口部从高压内壳经由工艺蒸汽偏转部和冷却管路引导到中间过热器。

通过上述方法能够以简单且紧凑的方式冷却蒸汽涡轮机。通过蒸汽涡轮机的可靠冷却，也可以使蒸汽涡轮机以安全的方式运行。同时，提供了一种用于可靠地冷却蒸汽涡轮机的方法。

附图说明

改进本发明的其他措施可从以下对本发明各种实施例的说明中得出，这些实施例在附图中示意性地示出。由权利要求书、说明书或附图得出的所有特征和/或优点，包括结构细节和空间布置，无论是单独形式还是以各种组合形式，对于本发明而言都是实质性的。

其中分别示意性地示出如下：

图1示出了根据本发明第一实施方式的蒸汽涡轮机的框图，并且

图2示出了根据本发明第二实施方式的蒸汽涡轮机的框图。

在图1和图2中，具有相同功能和作用方式的元件分别具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据第一实施方式的蒸汽涡轮机1a。蒸汽涡轮机1a具有蒸汽涡轮机外壳20，在蒸汽涡轮机外壳20中布置有高压内壳30、呈中压内壳形式的低压内壳40和另一低压内壳90。在高压内壳30的上游布置有用于向高压内壳30输送工艺蒸汽的新鲜蒸汽源或工艺蒸汽源10。高压内壳30具有第一工艺蒸汽入口部31和第一工艺蒸汽出口部32，以用于将工艺蒸汽通过高压内壳30从第一工艺蒸汽入口部31沿第一工艺蒸汽膨胀方向33引导至第一工艺蒸汽出口部32。低压内壳40具有第二工艺蒸汽入口部41和第二工艺蒸汽出口部42，以用于将工艺蒸汽通过低压内壳40从第二工艺蒸汽入口部41沿第二工艺蒸汽膨胀方向43引导至第二工艺蒸汽出口部42。此外，蒸汽涡轮机1a还具有中间过热器50，该中间过热器50布置在高压内壳30的下游并且在低压内壳40的上游。

如图1所示，高压内壳30和低压内壳40被布置成使得高压内壳30的第一蒸汽入口部31朝向低压内壳40的第二蒸汽入口部41。

蒸汽涡轮机1a在高压内壳30的下游具有工艺蒸汽偏转部60，以用于使来自第一蒸汽出口部32的工艺蒸汽沿与第一蒸汽膨胀方向33相反的方向偏转到蒸汽涡轮机1a的冷却管路70中。冷却管路70形成在蒸汽涡轮机外壳20的内部并且在与高压内壳30相邻的区域中。此外，冷却管路70局部地布置在蒸汽涡轮机外壳20的内壁和高压内壳30的外壁之间。另外，冷却管路70局部地布置在蒸汽涡轮机外壳20的内壁和低压内壳40的外壁之间。

根据第一实施方式，在高压内壳30的形成第一工艺蒸汽入口部31的上游端部处布置有高压密封罩34，以用于至少部分地密封高压内壳30的上游端部。此外，在低压内壳40的形成第二工艺蒸汽入口部41的上游端部处布置有低压密封罩44，以用于至少部分地密封低压内壳40的上游端部。高压密封罩34和低压密封罩44彼此相邻地布置。在高压内壳30的形成第一工艺蒸汽出口部32的下游端部处布置有另一高压密封罩35，以用于至少部分地密封高压内壳30的下游端部。

在低压内壳40的下游端部处形成密封腹板8，以用于密封在低压内壳40的下游端部和蒸汽涡轮机外壳20之间的蒸汽涡轮机区域。中间过热器布置在蒸汽涡轮机外壳20的外部。高压内壳30和低压内壳40作为独立的构件而被提供在共同的蒸汽涡轮机外壳20中。

参考图2将说明根据第二实施方式的蒸汽涡轮机1b。根据第二实施方式的蒸汽涡轮机1b基本上对应于根据第一实施方式的蒸汽涡轮机1a。在高压内壳30和低压内壳40之间仅布置有单个密封罩100，而不是两个单独的密封罩(或者高压密封罩34和低压密封罩44)。

下面参考图1还将说明根据一种实施方式的方法。在该方法的范畴中，首先，将工艺蒸汽从工艺蒸汽源10通过第一工艺蒸汽入口部31导入到高压内壳30中。然后，将工艺蒸汽从第一工艺蒸汽入口部31引导到第一工艺蒸汽出口部32，并且随后通过第一工艺蒸汽出口部32从高压内壳30经由工艺蒸汽偏转部60和冷却管路70引导到中间过热器50。在此，通过用于冷却蒸汽涡轮机外壳20或蒸汽涡轮机1a的冷却管路70，沿着高压内壳30和低压内壳40引导工艺蒸汽。在将中间过热器50中的工艺蒸汽在相同压力下加热到预定温度之后，将经加热(或者经过热处理)的工艺蒸汽从中间过热器50通过第二工艺蒸汽入口部41引导到低压内壳或中压内壳中。从这里将工艺蒸汽以保持相同的膨胀方向的方式引导到另一低压内壳中。在该另一低压内壳中，工艺蒸汽可以进一步膨胀和冷凝。

附图标记列表

1蒸汽涡轮机

10工艺蒸汽源

20涡轮机外壳

30高压内壳

31第一工艺蒸汽入口部

32第一工艺蒸汽出口部

33第一工艺蒸汽膨胀方向

34高压密封罩

35高压密封罩

40低压内壳

41第二工艺蒸汽入口部

42第二工艺蒸汽出口部

43第二工艺蒸汽膨胀方向

44低压密封罩

50中间过热器

60工艺蒸汽偏转部

70冷却管路

80密封腹板

90低压内壳

100密封罩