流体机械设备和用于运行流体机械设备的方法

技术领域

本发明涉及一种在部分负载运行中能够更好地进行利用的流体机械设备。本发明还涉及一种用于控制根据本发明的流体机械设备的流体机械设备控制器。另外，本发明涉及一种在部分负载运行中更好地利用流体机械设备的方法。本发明还涉及一种利用质量流的一部分来改进流体机械设备在部分负载的情况下的运行的用途。

背景技术

流体机械设备例如蒸汽轮机设备，是能量生产中的重要组成部分。流体机械设备不仅单独地运行，它们还以耦接至例如汽轮机的方式被用于在发电厂中以提高电力生产的效率。由于能量转化，该行业日益面临可再生发电机向电网馈送波动的能量功率的问题。这使得电网中的相应波动需要由剩余的发电机补偿。过去的相应能量生成器(例如流体机械设备)大部分是连续满负载运行的，而现在它们必须在部分时段在其最佳负载之外运行，并且特别是经常在部分负载的情况下运行，以便作为储备快速补偿在电网中以再生方式馈入的功率的明显下降。

然而，例如在尤其是低的部分负载中的运行，尤其对于蒸汽轮机设备而言是很大的问题，因为在这此排放通常明显地提高。在特定的预热结束温度以下，特定过程不再能够在加热组中运行，由此例如可以观察到排放值的急剧升高。然而，同时有关排放的新的和更严格的法规不断出台。

因此，现有的流体机械设备面临的问题一方面是能够确保灵活运行，而另一方面是以尽可能低的成本克服这些挑战(例如更严格的排放要求)。例如，为了单独提高预热结束温度而安装额外的预热器会带来高额的额外成本，并且由于空间要求和安全要求的部分原因而无法在现有设备中实现。

因此，需要提供一种可行方案，能够以尽可能低的成本并为了流体机械设备的尽可能大的带宽来进行优化，以便使这些现有的设备能够在未来运行。

发明内容

这些目的通过本文所描述和权利要求书中所实施的设备、方法和用途来实现。从属权利要求和另外的说明书包含提供了还可以解决额外问题的另外优点的、本发明的有利设计方案。

根据一个方面，本发明涉及一种流体机械设备，包括：涡轮机、作为涡轮机的组成部分的叶片区域、叶片区域的开始区域、加热组、在加热组之前的区域以及穿过加热组和涡轮机的质量流，其中流体机械设备适用于在加热组之后并在叶片区域的开始区域的端部之前将质量流的一部分导出并且引导至加热组和/或引导至加热组之前的区域，其中相对于质量流的流向和起始的叶片排的开端与最后的叶片排的末端之间的间距，叶片区域的开始区域在叶片区域的前44％、更优选地前39％、还更优选地前37％上延伸。尤其地，通常优选的是，从在加热组之后并在过载引入区域之前的区域中引出质量流的一部分。令人惊喜地显示出，在前述的区域中引出质量流的一部分的情况中，可以实现特别明显的改进。同时，与此相关的费用在改造时相对较低，因此可以以简单的方式适配现有系统。

表述“在加热组之后”以质量流的方向为参照。除非另有说明，还有另外的与方向相关的术语或按顺序排列的术语，例如“之后”“起始”“最后”等等都以质量流的方向为参照。

术语“预热器”在本发明的意义中是在加热组之前提高质量流的温度的装置。这使得质量流在加热组中能够达到更高的温度。在此，预热器例如可以主动地被电加热器或例如除了从流体流中耦合输出的质量流之外的外部热源加热。在针对在预热器中的加热而利用从涡轮机流出的质量流时，这例如还使得流体机械设备能够达到更高的效率。这实现了流体机械设备的特别高效的运行。

根据一个方面，本发明涉及一种流体机械设备，包括涡轮机、在涡轮机的区域中的叶片区域、作为涡轮机的组成部分的过载引入区域、加热组、在加热组之前的区域和穿过加热组和涡轮机的质量流，其中流体机械设备适用于在加热组之后并在过载引入区域的端部之前将质量流的一部分导出并且引导至加热组和/或引导至加热组之前的区域。这令人惊喜地显示出，在该区域中引出质量流的一部分是特别有利的，并且实现特别明显的效果。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于控制本发明的流体机械设备的流体机械设备控制器，其中流体机械设备控制器适用于在预定的边界值的情况中将质量流的一部分从加热组与涡轮机的叶片区域的开始区域的端部之间的区域中转引至加热组和/或在加热组之前的区域。

根据另一个方面，本发明涉及用于控制根据本发明的流体机械设备的流体机械设备控制器，其中流体机械设备控制器适用于在预定的边界值的情况中将质量流的一部分从加热组与涡轮机的叶片区域的开始区域的端部之间的区域中转引至加热组和/或在加热组之前的区域。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于提供流体机械设备的针对部分负载优化运行的方法，其中流体机械设备具有涡轮机、作为涡轮机的组成部分的叶片区域、涡轮机的开始区域、加热组、在加热组之前的区域(包括例如至少一个预热器)以及穿过加热组和涡轮机的质量流，其中提供或翻修在加热组之后并在涡轮机的开始区域的端部之前的区域与加热组和/或在加热组之前的区域之间的连接，其中连接适用于在部分负载的情况下将质量流的一部分从在加热组之后并在涡轮机的叶片区域的开始区域的端部之前的区域中导出，并且引导到加热组中和/或引导到加热组之前的区域中，其中相对于质量流的流向和起始的叶片排的开端与最后的叶片排的末端之间的间距，叶片区域的开始区域在叶片区域的前44％、更优选前39％、还更优选前37％上延伸，其中提供至少两种运行模式，其中在第一运行模式中，将质量流从加热组引导完全穿过开始区域，优选引导质量流穿过涡轮机，其中在第二运行模式中，将质量流的一部分从在加热组之后并在涡轮机的开始区域的端部之前的区域中引导至加热组和/或引导至加热组之前的区域。通常优选的是，提供或翻修在加热组之后并在涡轮机的开始区域的端部之前的区域与在加热组之前的区域、尤其是至少一个预热器之间的连接。

在本发明的意义中，利用表述“被引导完全穿过涡轮机”表示来自加热组针对相应的涡轮机所假想的质量流完全地流过涡轮机。在此不包括的尤其是例如由于泄露而产生的计划外的流失，由此可以出现质量流的少量流失，并且降低了从加热组引导至涡轮机的质量流的总量。如果多个加热组并联连接，以提供所需要的质量流，那么这自然是指加热组的总共产生的质量流。如果有多个涡轮机将要连接至一个加热组，那么各个涡轮机的对应质量流则是针对各个涡轮机从加热组得到的质量流的按比例的一部分。多个加热组与多个涡轮机的组合以类似的方式得出。

根据另一个方面，本发明涉及用于运行根据本发明的流体机械设备的方法，其中流体机械设备具有作为涡轮机的组成部分的过载引入管线分，其中方法具有至少两个运行模式，其中在第一运行模式中，将质量流从容器引导完全穿过涡轮机，其中在第二运行模式中，在加热组之后并在过载引入区域的端部之前将质量流的一部分引导至加热组和/或加热组之前的区域，优选引导至在加热组之前的区域。过载引入区域优选位于涡轮机的叶片区域的开始区域中。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于提供或翻修根据本发明的流体机械设备的方法，其中提供在加热组之后并在过载引入区域之前的区域与加热组和/或在加热组之前的区域、优选与在加热组之前的区域之间的连接，其中连接适用于在部分负载的情况下将质量流的一部分从过载引入区域引导到加热组和/或在加热组之前的区域中，优选引导至在加热组之前的区域中，更优选地引导至预热器。

根据另一个方面，本发明涉及一种将根据本发明的流体机械设备的加热组之后的质量流的一部分用于提高在加热组中的进入温度的用途，其中质量流的一部分从加热组与涡轮机的叶片区域的开始区域的端部之间的区域被引出。

附图说明

为了更完整地理解本发明，将参考以下详细描述以及与之相关的附图。然而，在此，附图仅被理解为对本发明的说明，并且仅是特别优选的实施例，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明的第一变体方案的流体机械设备的示意图，其中流体机械设备未在部分负载下运行。

图2示出了根据图1所示的本发明的变体方案的流体机械设备的示意图，其中流体机械设备在部分负载下运行。

图3示出了根据本发明的第二变体方案的流体机械设备的示意图，其中流体机械设备在部分负载下运行。

图4示出了根据本发明的第三变体方案的流体机械设备的示意图，其中流体机械设备在部分负载下运行。

具体实施方式

本发明使得现有的流体机械设备即使在很低的部分负载下也能运行，其中例如排放值可以大幅降低。在此，只需要对现有的流体机械设备进行略微调试，该调试不仅能够以低成本而且还能够以非常少的改装时间来实现。这不仅使得现有流体机械设备能够在经济上合理地持续运行，而且尤其是为了实现所寻求的可再生能源在电力工业中的份额进一步提高的重要一步。

相应的流体机械设备例如选自：基于水-蒸汽-流体流的流体设备、基于有机液体的流体流的流体设备或基于二氧化碳的流体流的流体设备。基于有机液体的流体流例如被称为有机朗肯循环系统。基于二氧化碳的流体流优选利用超临界状态的二氧化碳，其中使用非常高的温度和压力。尤其地，在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备为蒸汽轮机设备。在此，尤其在排放方面，取得了特别大的改进。在这种情况下，加热组是蒸汽生成器。

此外，本发明令人惊喜地使得流体机械设备(尤其是蒸汽轮机设备)在低于提供稳定运行条件(例如蒸发条件)的最小工作点的情况下也能够运行。同时，在此尽管只对已知系统进行了略微的修改，但仍取得了例如在效率方面优异的效果。

在下文中，作为示例，将描述本发明的提供了另外的特殊优点的一些实施方式。这些实施方式的主题也可以彼此任意组合，以便为特殊的应用提供特别有利的实施方式。

在另外的实施例中优选的是，流体机械设备适用于将质量流的一部分从过载引入区域引导至加热组和/或加热组之前的区域。令人惊喜地显示出，以这种方式可以在更低的部分负载下实现改进的运行，同时可以实现比在过载引入区域之前引出质量流的一部分的情况更高的效率。因此该位置也被证实为可以特别好地改造的，因为过载引入区域通常由叶片布置区域中的叶片之间的间隙表征。即使例如仅在过载引入区域中使用相对较小的叶片，以便在过载运行的情况下能够更好地引入，那么在此根据本发明安装用于排放质量流的一部分的开口导流部也是有利的。

在另外的实施例中优选的是，流体机械设备适用于从加热组与涡轮机之间的区域中排放质量流的一部分，并将质量流的一部分引导至加热组和/或加热组之前的区域。尽管以这种方式通常只能实现更低的效率，但这使得对相应的流体机械设备的改造能够特别简单。

然而，尤其对于本发明的典型实施例优选的是，流体机械设备具有过载引入管线。即使，例如附加地或替代地，从加热组或涡轮机之间的中间区域中导出质量流的一部分，那么这种过载引入管线使得能够例如随后快速地匹配于未来的要求或进行精细调整，其中可以使用现有的过载引入管线。

在另外的实施方式中还优选的是，流体机械设备在过载引入区域中具有过载引入管线，其中流体机械设备适用于将质量流的一部分穿过过载引入管线从过载引入区域引导至加热组和/或加热组之前的区域。通常优选的是，质量百分比至少为60％、更优选质量百分比至少为80％，还更优选质量百分比至少为95％的根据本发明被引导至加热组和/或加热组之前的区域的质量流的一部分部分，被引导穿过过载引入管线。尤其在另外的实施方式中优选的是，被引导至加热组和/或加热组之前的区域的质量流的全部被引导穿过过载引入管线。这令人惊喜地使得通过使用现有的过载引入管线和仅有的略微适配，便能够以根据本发明的方法来运行现有的流体机械设备，而无需进行更大的改建工作。例如，仅需要安装和/或更换一些额外的阀门、管道和控制技术部件。

只要在本发明的上下文中提及质量流的质量百分比时，除非另有说明，否则这是指被引导至加热组之前的区域的质量流的一部分。质量流的这一部分是从被从加热组引导至涡轮机的质量流的总质量中引出的。如果有多个涡轮机将要连接至一个加热组，那么各个涡轮机的对应质量流则是针对各个涡轮机从加热组得到的质量流的按比例的一部分。如果多个加热组被用于针对一个涡轮机提供质量流，那么总质量自然是指加热组的总质量流。另外的组合以符合逻辑的方式得出。

在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备在加热组之前具有至少一个预热器，其中质量流的一部分被引入到至少一个预热器中和/或到至少一个预热器与加热组之间，优选地被引入至少一个预热器。令人惊喜地显示出，可以以特别简单的方式改造通至这些位置的输入管线。例如可以特别优选的是，质量流的一部分被引导至还有如下的质量流可以被引入的相同预热器，该质量流源自涡轮机的位于更下游的部件和/或在涡轮机之后的区域。例如，可以额外提出，能够在叶片区域的前50％、更优选前70％之后将质量流引导至预热器。例如，从涡轮机流出的质量流可以被用于在正常情况下在涡轮机区域之后加热预热器。相对地在部分负载运行中，附加地或备选地，来自涡轮机的开始区域的质量流被引入到同一预热器中。在此，针对典型的使用情况，可以使用现有的设备组成部分，由此可以快速、廉价且可靠地提供根据本发明的系统。

在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备在加热组之前具有至少一个预热器，其中质量流的一部分至少部分地、更优选质量百分比多达至少50％、还更优选质量百分比至少80％、还更优选全部被引导到至少一个预热器中。该质量流优选被引导至加热组之前的最后的预热器。如果流体机械设备在加热组之前只具有一个预热器，那么它就是最后的预热器。这还简化了对现有的流体机械设备的升级，因为在相应的预热器上的工作运行是不太劳动密集的并且是危机安全的。此外，通过这种方式，可以实现质量流的特别均匀的流动，这令人惊喜地对于在加热组中进一步加热质量流而言是有利的。

根据另一方面，本发明涉及如上所述的流体机械设备控制器。

在另外的实施方式中优选的是，预定的边界值是在功率方面的下界。那么便观察到，尤其可以实现对设备的良好调节，因为这是在流体机械设备中通常会检测且易于监控的变量。同时，由此可以以通常足够高的精确度来预测其他的参数、例如排放。

在另外的实施方式中优选的是，预定的边界值是排放的上限。尤其地，如已经所解释的，即使在流体机械设备的功率更低的情况下也可以利用本发明实现对排放值的优化和改进。鉴于在排放方面一直不断提高的要求，被证实特别有利的是，实施控制器与排放测量的直接耦合。尤其地，针对对NOx排放的监控和调节，本发明被证实是有利的。例如可以由此考虑NOx边界值。

根据另一方面，本发明涉及如前所述的一种用于运行流体机械设备的方法。

在另外的实施方式中优选的是，在第一运行模式中，质量流的一部分没有被直接引入到涡轮机的过载引入区域中。例如优选的是，第一运行模式是针对相应的流体机械设备优化的运行模式，该运行模式是针对相应的流体机械设备根据最优效率来设计的。这通常是具有最高的效率的运行模式。

在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备具有过载引入管线，并且方法具有第三运行模式，其中在第三运行模式中，质量流的一部分从加热组中经由过载引入管线被引导到涡轮机中。通常优选的是，流体机械设备应在负载提高的情况下以超过优化范围的方式来运行。由此例如可以在短时间内平衡提高的能量需求。

在另外的实施方式中优选的是，质量流的一部分至少部分地从过载引入区域中被引导至加热组和/或加热组之前的区域，优选被引导至加热组之前的区域。这通常使得即使在部分负载低的情况下也能够获得流体机械设备的更高的效率。

在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备具有过载引入管线，其中质量流的一部分至少部分地、优选多达至少50重量％、更优选质量百分比多达至少70％、还更优选质量百分比多达至少90％穿过过载引入管线被引导至加热组和/或加热组之前的区域。尤其地，通常优选的是，质量流的一部分完全被引导穿过过载引入管线。

在另外的实施方式中优选的是，第二运行模式是流体机械设备的部分负载运行。尤其地，在此借助于根据本发明的方法获得了特别好的结果。尤其地，在此尽管条件变差，也获得了例如在NOx排放方面特别好的排放值。

在另外的实施方式中优选的是，部分负载在流体机械设备的最优负载的15％至50％的范围中，更优选地在18％至38％的范围中，还更优选地在20％至33％的范围中。令人惊喜地，即使在这些范围中，借助于根据本发明的方法也可以获得优良的排放值。在上述更优选的实施方式的情况下，优化的功率和排放的组合的改进在此特别显著。

在另外的实施方式中优选的是，提供在加热组之后并在过载引入区域的端部之前的区域与加热组和/或在加热组之前的区域之间的连接，优选是在加热组之后并在过载引入区域的端部之前的区域与在加热组之前的区域之间的连接，其中连接适用于在部分负载的情况下降质量流的一部分从过载引入区域引导到加热组和/或在加热组之前的区域中。在此令人惊喜地，尤其获得了流体机械设备的特别好的效率。

在另外的实施方式中优选的是，流体机械设备在加热组之前的区域中具有至少一个预热器，其中质量流的一部分部分地、优选质量百分比多达至少50％、还更优选质量百分比至少80％，还更优选完全地被引导至至少一个预热器。

根据另一方面，本发明涉及一种如上实施的应用。

在另外的实施方式中，本发明涉及根据本发明的应用，其中流体机械设备具有过载引入区域并且其中从加热组与过载引入区域的端部之间的区域进行对质量流的一部分的引出。

在另外的实施方式中优选的是，质量流的一部分从过载引入区域引出，并且其中质量流的一部分穿过过载引入管线被引导至加热组之前的区域。通常优选的是，流动机械设备具有至少一个预热器，并且质量流的一部分至少部分地、优选质量百分比多达至少50％、更优选质量百分比多达至少70％、还更优选质量百分比多达至少90％被引导至至少一个预热器，优选被引导至最后的预热器。

图1示出了根据本发明第一变体方案的流体机械设备的示意图，其中流体机械设备未在部分负载下运行。在此，流体机械设备为蒸汽轮机设备。在此，加热组是蒸汽生成器。

在此，蒸汽轮机设备具有涡轮机、作为涡轮机的组成部分的过载引入区域、加热组、过载引入管线、加热组1之前的区域中的多个预热器5以及穿过加热组1和涡轮机2的质量流。质量流在此经由质量流引入管线7被引入到涡轮机2中。图1中示出的变体方案还在涡轮机出口与预热器之间具有连接6，以便即使例如未在部分负载运行的情况下，也能够针对预热器5利用在此获得的更低质量的质量流。

蒸汽轮机设备还适用于将质量流的一部分经由过载引入区域中的过载引入管线3引导出涡轮机2。质量流的这部分完全经由过载引入管线3与预热器5之间的连接4被引导至最后的预热器5。在此，质量流的这部分被用于提高加热组的入口温度，因为来自涡轮机2的输送管线区域的高质量的蒸汽被馈入到预热器5中，并且以此也可以将更高质量的质量流输送到加热组1中。由此，可以优化加热组的运行条件，以便尤其大幅改善在部分负载运行中的排放值。

对蒸汽轮机设备的控制借助于蒸汽轮机设备进行，该蒸汽轮机设备在预定的边界值的情况下将质量流的一部分从轮机2经由过载引入管线3引导至最后的预热器5。在此，蒸汽轮机设备的负载例如用作边界值。例如，如果负载由于运行而下降至45％以下，则可以自动将质量流的一部分引导至预热器5。在此，可以基于先前的计算或测量值，使引出的质量流的量匹配于蒸汽轮机设备的相应负载。此外，备选地和/或补充地，基于排放值来进行调节。这种排放值优选在蒸汽轮机设备运行期间连续地确定。优选地，排放值包括NOx值。一旦在蒸汽轮机设备的负载降低的情况下相应的排放值升高超过预定的数值，蒸汽轮机设备便可以自动将质量流的一部分转移，以便适配工艺条件并降低排放值。

这使得蒸汽轮机设备可以最小的适配而在针对部分负载优化的运行中运行。同样地，在例如维护的范畴中，相应的翻修过程被显著简化，因为仅必须在过载引入管线3与预热器5之间修理或更换这样的额外连接4以及修理或更换少量元件(例如额外的阀和控制元件)。

在该图中示出的状态是至少两种运行模式中的第三种运行模式，其中质量流从加热组1经由涡轮机2的质量流引入管线7和过载引入管线3被引导到涡轮机2中。

如果涡轮机2将在至少两个运行模式中的第一运行模式(图中未示出)下运行，则关闭过载引入管线3的阀，使得质量流将仅经由涡轮机2的质量流引入管线7被引导到涡轮机2中。

图2示出了根据图1所示的本发明变体方案的蒸汽轮机设备的示意图，其中蒸汽轮机设备在部分负载下运行。这是根据本发明的方法的第二运行模式。

与图1所示的运行模式不同，质量流的一部分在此从蒸汽轮机设备的输送管线区域经由过载引入管线3和过载引入管线3与预热器5之间的连接4被引导至预热器5。如已经参照图1所讨论的，在此，来自过载引入区域的更高质量的蒸汽被用于在最后的预热器5中产生高质量的质量流，该质量流又被馈入到加热组1中。

以此改变了加热组1中的运行条件，并且例如显著降低了排放。令人惊喜的是，尽管如此仍可以实现非常高的效率，使得蒸汽轮机设备所需的高度灵活的运行仍与高经济性相关联。

图3示出了根据本发明第二变体方案的蒸汽轮机设备的示意图，其中蒸汽轮机设备在部分负载下运行。

在本发明的该第二种变体方案中，给出了与第一种变体方案类似的蒸汽轮机设备结构。在此，蒸汽轮机设备具有涡轮机2’、作为涡轮机2’的组成部分的过载引入区域、加热组、在加热组1’之前的区域中的多个预热器5’，以及穿过加热组1’和涡轮机的质量流。在此，质量流也经由质量流引入管线7’被引入到涡轮机中。类似于第一种变体方案，在此也是在涡轮机出口与预热器5’之间存在连接6’。

与第一变体方案不同的是，蒸汽轮机设备适用于将质量流的一部分从加热组1’与涡轮机之间的区域中导出。质量流的这部分被引导完全经由将加热组1’与涡轮机的中间区域和预热器5’相互连接的连接8’。在此，质量流的这部分被用于提高加热组的入口温度，因为来自涡轮机的输送管线区域的高质量的蒸汽被馈入到预热器5’，并且以此更高质量的质量流也可以被输送至加热组1’。

图4示出了根据本发明第三变体方案的蒸汽轮机设备的示意图，其中蒸汽轮机设备在部分负载下运行。

在本发明的第三种变体方案中，给出了与第一种变体方案类似的蒸汽轮机设备结构。在此，蒸汽轮机设备具有涡轮机2”、作为涡轮机2”的组成部分的过载引入区域、加热组1”、加热组1”之前的区域中的多个预热器以及穿过加热组1”和涡轮机2”的质量流。这里，质量流也经由质量流引入管线7”被引入到涡轮机中。类似于第一变体方案，在此，在涡轮机出口与预热器5”之间也存在连接6”。

类似于第一变体方案，蒸汽轮机设备适用于从轮机2”中引出质量流的一部分。然而，质量流的该部分不是经由过载引入管线3”引出的，而是经由额外的引出点引出的，该引出点在叶片区域的大约30％之后处。质量流的被引出的部分或全部被引导经过将涡轮机2”的过载引入区域与预热器相互连接的连接9”。在此，质量流的这部分被用于提高加热组1”中的入口温度，因为来自涡轮机2”的输送管线区域的高质量的蒸汽被馈入到预热器中，并且由此更高质量的质量流可以被输送到加热组1”。

出于解释目的，已经基于示例性实施例更详细地描述了本发明。然而，本发明不旨在限于这些示例性实施例的具体配置。相反，本发明的保护范围仅受限于所附的权利要求。