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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Dampf mit einem einen Dampferzeuger aufweisenden konventionellen Dampfturbinenkreislauf,
bei welchem nach einer ersten Entspannungsstufe in einer Hochdruckturbine eine
Zwischenüberhitzung
des Dampfes vor einer zweiten Enspannungsstufe in einer Mitteldruckturbine
vorgesehen ist, wobei der Dampfturbinenkreislauf wahlweise auch
zusätzlich
mit einem mindestens eine Gasturbine aufweisenden Gasturbinenkreislauf kombinierbar
ist, in welchem der mindestens einen Gasturbine eine mit Wasser
aus dem Dampfturbinenkreislauf gespeiste Abhitzedampferzeugungsanlage nachgeschaltet
ist und der dampfseitige Ausgang der Abhitzedampferzeugungsanlage
und der dampfseitige Ausgang des Dampferzeugers stromaufwärts der Hochdruckturbine
des Dampfturbinenkreislaufes in eine gemeinsame Frischdampfleitung
münden.
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Konventionelle
Dampfkraftwerke bestehen im wesentlichen aus einem meist mit Kohle
oder mit Öl,
zunehmend aber auch mit Gas befeuerten Dampferzeuger und mehreren
Dampfteilturbinen (Hochdruck-, Mitteldruck-, Niederdruckdampfturbinen) sowie
einem Generator zur Umwandlung der Dampfenergie in elektrische Energie.
Zur Verbesserung der Effektivität
ist es üblich,
eine Zwischenüberhitzung
des in der Hochdruckturbine entspannten Dampfes vorzunehmen, bevor
dieser der Mitteldruckturbine zugeführt wird.
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Die
Temperaturen des überhitzten
und des zwischenüberhitzten
Dampfes verhalten sich bei diesem Stand der Technik in Abhängigkeit
von der Kessellast unterschiedlich. Bei niedriger Kessellast ist die
Temperatur des überhitzten
Dampfes höher
als die des zwischenüberhitzten
Dampfes, bei hohen Kessellasten liegt die Temperatur des zwischenüberhitzten
Dampfes über
der Temperatur des überhitzten
Dampfes. Der Zwischenüberhitzer
ist für
einen Teil des Frischdampf/HP-Überhitzerdampfdurchsatzes
ausgelegt, weil in einem konventionellen Dampfkraftwerk der Dampf
zum regenerativen Vorwärmen entnommen
wird und der Durchsatz in der Dampfturbine kontinuierlich reduziert
wird bis zum Dampfturbinenaustritt/Kondensator. Der Durchsatz des Überhitzers
ist daher im Falle eines konventionellen Dampfkraftwerkes viel grösser als
der Massenfluss durch den Zwischenüberhitzer. Bei höheren Kessellasten muss
also eine Verringerung der Zwischenüberhitzertemperatur erreicht
werden.
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Da
die Wärmeaustauschflächen von Überhitzer
und Zwischenüberhitzer
für den
jeweiligen Fall fest vorgeben sind, muss die Dampftemperatur geregelt
werden, d.h. sie muss innerhalb bestimmter Grenzen (Höchsttemperatur
abhängig
vom Material, Mindesttemperatur abhängig von der zu erreichenden
Leistung) konstant gehalten werden. Das kann z.B. durch Veränderungen
im Feuerungssystem/Schwenken der Brenner, durch Dampfkühlung aufgrund
von Wassereinspritzung, durch Rezirkulation von Rauchgas oder durch
Bypassen von Wärmeaustauschflächen (Umführungsklappenregelung)
geschehen.
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Diese
bekannten Lösungen
zur Dampftemperaturregelung haben aber eine Reihe von Nachteilen.
Einerseits zeigen sie nur eine beschränkte Wirkung, andererseits muss
eine zusätzliche
Hardware installiert werden, was zur Kostensteigerung führt. Im Falle
einer Dampfkühlung
durch Einspritzen von Wasser vor, zwischen oder nach den Überhitzer- oder
Zwischenüberhitzersektionen
kommt es ausserdem zu einer Leistungsherabsetzung. Schliesslich wirken
sich auch die sich unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen,
Korrosion) bewegenden Einrichtungen, z.B. Umführungsklappen, nachteilig aus.
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In
der
DE 195 48 806
A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von
Dampf mit überkritischem
Dampfparameter in einem Dampferzeuger beschrieben, bei denen ein
Arbeitsmittel die Umfassungsrohrwände des Dampferzeugers durchströmt und am Übergang
vom Verdampfer- zum Überhitzerteil
der Umfassungsrohrwände
durch eine Dampf-Trenneinrichtung geleitet wird und einen Teil seiner
Wärmeenergie
an das von der Dampfturbine kommende Arbeitsmittel abgibt. Dadurch
wird der Dampferzeuger-Prozesswirkungsgrad erhöht.
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Die
Druckschriften
DE 44
34 526 C1 und
US 5 375410 beschreiben
allgemein Verfahren zum Betreiben von kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen.
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Aus
DE 195 42 917 A1 und
R. Bachmann, M. Fetescu und H. Nielsen: More than 60% Efficiency
by Combining Advanced Gas Turbines and Conventional Steam Power
Plants, Power Gen'95
Americas, Anaheim, California, USA, Dec. 5-7, 1995 sind beispielsweise
Verbundkraftwerke bekannt, bei welchen ein o.b. konventioneller
Dampfkreislauf mit Zwischenüberhitzung
mit einem Gasturbinenkreislauf kombiniert ist, wobei der Gasturbine
ein Abhitzekessel nachgeschaltet ist, der zusätzlich Frischdampf von einem
Teil des Speisewassers erzeugt. Dieser zusätzliche, vom Abhitzekessel
kommende Frischdampf führt
dazu, dass der aus dem Hauptkessel austretende Frischdampfmassenstrom
geringer sein muss im Vergleich zum Frischdampfaustritt aus dem Kessel
eines konventionellen Dampfkraftwerkes. Da ausserdem durch die Vorwärmung des
Kondensats und Speisewassers im Abhitzekessel die Entnahmemenge
des entspannten Dampfes aus der ND-Dampfturbine verringert wird,
erhöht
sich der Dampfdurchsatz durch die Dampfturbine, so dass die Kessellast
reduziert werden muss. Das führt
dazu, dass im Falle eines Verbundsystems der kalte Zwischenüberhitzerdampfstrom
viel grösser
ist als der Frischdampfmassenstrom des Kessels und somit zwischen
beiden ein Missverhältnis
besteht. Beim bekannten Stand der Technik wird der im Hauptkessel
und im Abhitzekessel erzeugte Frischdampf nur im Hauptkessel zwischenüberhitzt.
Obwohl dies eine Reihe von Vorteilen hat, wie z.B. die Gestaltung
einer hohen Flexibilität
in der Fahrweise bei gleichzeitig sehr hohen Wirkungsgraden, treten
auch hier Nachteile auf. Der Überhitzer
des Hauptkessels wird bei Teillast betrieben und der Zwischenüberhitzer
bei der höheren
Grundlast. Wenn das Verbundkraftwerk ohne jegliche Modifizierung
arbeitet, führt
das dazu, dass die Dampftemperatur am Austritt des Zwischenüberhitzers
reduziert wird und damit die Leistung der Mitteldruckturbine und
dementsprechend der Wirkungsgrad des Kraftwerkes sinkt.
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Die
Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Dampf der oben beschriebenen Art zu schaffen, bei denen mit
Hilfe einer einfachen Temperaturregelung ein erhöhter Wirkungsgrad in allen
Betriebsweisen erzielt wird und nur geringe Kosten anfallen. Die
Vorrichtung soll einerseits für
neue Kraftwerke anwendbar sein, andererseits gut zum Nachrüsten von
bestehenden kohle-, öl-
oder gasbefeuerten Dampfkraftanlagen (konventionelle Dampfkraftwerke
oder Verbundanlagen) geeignet sein.
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Erfindungsgemäss wird
dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zumindestens ein Teil des überhitzten Dampfes im Überhitzer
und der zwischenüberhitzte
Dampf im Zwischenüberhitzer
einem mittelbaren Wärmeaustausch
unterzogen werden.
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Erfindungsgemäss wird
dies bei einer Vorrichtung gemäss
Oberbegriff des Anspruches 6 dadurch erreicht, dass der Überhitzer
und der Zwischenüberhitzer
mindestens eine Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
aufweisen.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch den Wärmeaustausch
zwischen Überhitzer
und Zwischenüberhitzer
ein hoher Wirkungsgrad in allen Betriebsweisen der Anlage erzielt
wird. Die Kosten für
eine Erweiterung, ein Retrofit oder ein Nachrüsten bestehender konventioneller
Dampfkraftwerke sind vergleichsweise niedrig. Mit der Erfindung ist
es möglich,
ohne die im Stand der Technik beschriebene Nachteile ein konventionelles
Dampfkraftwerk in ein Verbundkraftwerk umzuwandeln.
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In
einer Ausführungsform
kann der Wärmeaustausch
auch reversibel erfolgt, wobei bei kleinen Lasten des Dampferzeugers
ein Teil der Wärmeenergie
vom Dampf des Überhitzers
an den Dampf des Zwischenüberhitzers
abgegeben wird und umgekehrt bei höheren Lasten des Dampferzeugers
ein Teil der Wärmeenergie
vom Dampf des Zwischenüberhitzers an
den Dampf des Überhitzers
abgegeben wird. Dadurch kann eine einfache Temperaturregelung realisiert
werden, die zu einer Wirkungsgradsteigerung führt.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Menge des überhitzten Frischdampfes, die
mit dem zwischenüberhitzten
Dampf im Wärmeaustausch
steht, in Abhängigkeit
von der Grösse
der Last des Dampferzeugers, von der Grösse des Dampfmassenstromes durch
den Überhitzer
und den Zwischenüberhitzer und
von der Temperatur des Zwischenüberhitzers
in Abhängigkeit
vom jeweiligen Ort des Wärmeaustausches
geregelt wird.
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Schliesslich
wird mit Vorteil die mindestens eine Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit innerhalb
des Dampferzeugers angeordnet, wobei nunmehr Heissgas die Wärmetauscheinheit umströmt. Die
Wärmetauschereinheit
besteht dann aus einem doppelwandigem Rohr, wobei dessen inneres
Rohr zum Durchströmen
des Überhitzerdampfes
und dessen äusseres
Rohr zum Durchströmen des
Zwischenüberhitzerdampf
vorgesehen sind und wobei das äussere
Rohr von Heissgas umströmt
ist.
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Es
können
beispielsweise bereits bestehende Wärmeaustauschflächen durch
die Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
ersetzt werden, so dass kein zusätzlicher
Platz benötigt wird.
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Falls
innerhalb des Dampferzeugers nicht genügend Platz ist, wird die mindestens
eine Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
ausserhalb des Dampferzeugers angeordnet.
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Ferner
ist es zweckmässig,
wenn die mindestens eine Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
mit einer der bekannten Vorrichtungen zur Dampftemperaturregelung
kombinierbar ist. Dann ergänzen
sich beide Regelungsmethoden.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand eines konventionellen Dampfkraftwerkes und anhand
eines Verbundkraftwerkes dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Schaltbild eines konventionellen Dampfkraftwerkes;
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2 eine
typische Anordnung der Wärmeaustauschflächen in
einem konventionellen Dampferzeuger nach dem bekannten Stand der
Technik;
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3 einen
Dampferzeuger in einer ersten Ausführungsvariante, bei der die
erfindungsgemässe Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
innerhalb des Dampferzeugers angeordnet ist;
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4 einen
Dampferzeuger in einer zweiten Ausführungsvariante, bei der die
erfindungsgemässe Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
ausserhalb des Dampferzeugers angeordnet ist;
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5 eine
typische Abhängigkeit
der Dampftemperatur im Überhitzer
und Zwischenüberhitzer
von der Last des Dampferzeugers;
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6 ein
schematisches Schaltbild eines Verbundkraftwerkes;
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7 ein
Detail von 6 im Überhitzer/Zwischenüberhitzerbereich;
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8 eine
Abhängigkeit
der Dampftemperatur im Überhitzer
und für
zwei verschiedene Fälle
im Zwischenüberhitzer
von der Last des Dampferzeugers.
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Es
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der 1 bis 8 näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein konventionelles Dampfkraftwerk mit Zwischenüberhitzung
nach dem bekannten Stand der Technik. In einem vorzugsweise mit Öl oder Kohle
beheizten Dampferzeuger 1, welcher selbstverständlich auch
mit gasförmigem Brennstoff
beheizt werden kann, wird durch die Heissgase des Dampferzeugers 1 Speisewasser 2 verdampft
und in einem Überhitzer 3 zu
Frischdampf 4 überhitzt.
Der Frischdampf 4 gelangt über eine Frischdampfleitung 5 in
eine Hochdruckdampfturbine 6 und wird dort teilentspannt.
Nach der Teilentspannung im Hochdruckteil 6 der Dampfturbine
wird der Dampf vor Eintritt in die Mitteldruckturbine 7 über eine
Leitung 8 einem Zwischenüberhitzer 9 zugeführt und
dort zwischenüberhitzt.
Der anschliessend in der Mitteldruckturbine 7 teilentspannte Dampf
wird danach über
Leitungen 10 den beiden Niederdruckturbinen 11 zugeführt. Die
Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen 6, 7, 11 sind
mit einem Generator 12 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
Der entspannte Arbeitsdampf kondensiert in einem Kondensator 13.
Als Kondensat wird das Arbeitsmittel nunmehr mit einer Kondensatpumpe 14 über entnahmedampfbeheizte
Niederdruckvorwärmer 15 in
den Speisewasserbehälter/Entgaser 16 gefördert, von dem
es mittels einer Speisewasserpumpe 17 in einen entnahmedampfbeheizten
Speisewasserhochdruckvorwärmer 18 und
von dort in den Dampferzeuger 1 gelangt.
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2 zeigt
eine typische Anordnung der Wärmeaustauschflächen von Überhitzer 3,
Zwischenüberhitzer 9 und
Speisewasserhochdruckvorwärmer 18 in
einem Dampferzeuger 1 nach dem bekannten Stand der Technik.
Die fest vorgegebenen Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschflächen führen beim
Betrieb des Kraftwerkes zu den im Stand der Technik bereits erläuterten
Nachteilen.
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Erfindungsgemäss kann
nun eine einfache Temperaturregelung des Dampfes erfolgen, wenn mindestens
ein Teil des überhitzten
Dampfes im Überhitzer 3 und
der zwischenüberhitzte
Dampf im Zwischenüberhitzer 9 einem
mittelbaren Wärmeaustausch
unterzogen werden. Die Menge des überhitzen Frischdampfes, die
mit dem zwischenüberhitzten Dampf
im Wärmeaustausch
steht, wird in Abhängigkeit
von der Grösse
der Last des Dampferzeugers 1, von der Grösse des
Dampfmassenstromes durch den Überhitzer
und den Zwischenüberhitzer
und von der Temperatur des Zwischenüberhitzers in Abhängigkeit
vom jeweiligen Ort des Wärmeaustausches geregelt.
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In 3 ist
ein Dampferzeuger 1 in einer ersten Ausführungsvariante
dargestellt, bei welchem der Überhitzer 3 und
der Zwischenüberhitzer 9 mindestens
eine erfindungsgemässe Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 aufweisen,
wobei die Wärmetauschereinheit 19 aus
einem von einem Heissgas 20 umströmten doppelten Rohr 21 besteht,
und das innere Rohr für
den Überhitzerdampf und
das äussere
Rohr für
den Zwischenüberhitzerdampf
vorgesehen sind. Derartige Wärmetauscher sind
als Trifluxwärmetauscher
bekannt. Bei dieser in 3 gezeigten Ausführungsvariante
ist die Wärmetauschereinheit 19 innerhalb
des Dampferzeugers 1 angeordnet. Es können mehrere solcher Wärmetauschereinheiten 19 horizontal
und/oder vertikal im Kessel angeordnet werden. Ausserdem ist es
möglich,
die mindestens eine Wärmetauschereinheit 19 zusätzlich zu
den bereits bestehenden Wärmeaustauschflächen im
Dampferzeuger 1 anzuordnen oder bereits bestehenden Wärmeausstauschflächen des Überhitzers 3 und/oder
Zwischenüberhitzers 9 mit den
erfindungsgemässen
Wärmetauschereinheiten 19 auszutauschen.
Die Wärmetauschereinheit 19 kann
je nach Zwischenüberhitzer-
und Überhitzer-Temperaturprofil
auch an anderen Orten als an der in 3 gezeigten
Stelle angeordnet sein.
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Eine
zweite Ausführungsvariante
zeigt 4. Hier ist die Wärmetauschereinheit 19 ausserhalb
des Dampferzeugers 1 angeordnet. Eine solche Lösung ist
dann vorteilhaft, wenn innerhalb eines bereits vorhandenen Dampferzeugers 1 kein
Platz mehr zum Nachrüsten
mit der Einheit 19 besteht. Auch hier kann selbstverständlich die
mindestens eine Wärmetauschereinheit 19 in
Abhängigkeit
vom jeweiligen Temperaturprofil an einer anderen Stelle als an der
in 4 gezeigten angeordnet sein.
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5 zeigt
in einem oberen Teilbild die typische Abhängigkeit der Dampftemperatur
T im Überhitzer 3 (Kurve
a) und im Zwischenüberhitzer 9 (Kurve
b) von der Last L des Dampferzeugers 1 in einem konventionellen
Dampfkraftwerk. Die beiden Kurven a und b verdeutlichen die Verhältnisse
ohne Dampftemperaturregelung und ohne die erfindungsgemässe Lösung, d.h.
bei niedrigen Lasten L hat der Dampf im Überhitzer 3 wesentlich
höhere
Temperaturen als der Dampf im Zwischenüberhitzer 9 (Zwischenüberhitzertemperatur
ist zu niedrig), während
bei ho hen Lasten L der Dampf im Überhitzer 3 niedrigere
Temperaturen T aufweist als der Dampf im Zwischenüberhitzer 9 (Zwischenüberhitzertemperatur
ist zu hoch).
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Wird
nun z.B. innerhalb des Dampferzeugers 1 mindestens eine
kombinierte Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 angeordnet, welche
aus einem doppelwandigem Rohr 21 besteht, wobei das innere
Rohr zum Durchströmen
des Überhitzerdampfes
und das äussere
Rohr zum Durchströmen
des Zwischenüberhitzerdampfes
vorgesehen sind, und wobei das äussere
Rohr von Heissgas 20 umströmt wird, dann findet bei niedrigen
Lasten L des Dampferzeugers 1 ein Transport von Wärmeenergie vom Überhitzer 3 in
den Zwischenüberhitzer 9 statt, während bei
hohen Lasten L des Dampferzeugers 1 ein Transport von Wärmeenergie
vom Zwischenüberhitzer 9 zum Überhitzer 3 stattfindet
(siehe dicke Pfeile) und somit die Dampftemperatur auf einfache
Weise geregelt und der Wirkungsgrad verbessert wird.
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In
den beiden mittleren Teilbildern von 5 ist der
Wärmeübergang
beispielhaft anhand von Pfeilen dargestellt. Im linken Teilbild
(kleine Lasten L) findet ein Wärmeübergang
sowohl vom äusseren
Heissgas 20 (bei Anordnung der Wärmetauscheinheit 19 im
Inneren des Dampferzeugers) als auch vom Dampf im Überhitzer 3 an
den Dampf im Zwischenüberhitzer 9 statt,
so dass sich seine Temperatur erhöht. Bei Anordnung der Wärmetauscheinheit 19 ausserhalb
des Dampferzeugers 1 (nicht dargestellt) würde dagegen
kein Wärmeübergang
vom Heissgas 20 an den Dampf im Zwischenüberhitzer 9 stattfinden,
weil dort kein Heissgas 20 vorhanden ist. Hier ist die
Wärmetauscheinheit 19 lediglich
ein Bifluxwärmeaustauscher,
bei welchem bei kleinen Lasten ein Wärmeübergang vom Dampf im Überhitzer 3 an
den Dampf im Zwischenüberhitzer 9 stattfindet.
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Im
rechten mittleren Teilbild von 5 (hohe Lasten
L) findet dagegen ein umgekehrter Wärmeübergang in der Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 statt,
weil Wärmeenergie
vom Dampf des Zwischenüberhitzers 9 an den
Dampf des Überhitzers 3 abgegeben
wird, so dass die Dampftemperatur des Zwischenüberhitzers 9 abgesenkt wird.
Das hat zur Folge, dass die beiden Kurven a und b entsprechend der
Pfeilrichtung im oberen Teilbild von 5 angeglichen
werden, so dass ein Temperaturverlauf wie im unteren Teilbild von 5 dargestellt
ist, entsteht und somit die Temperatur des Dampfes geregelt wird.
Unter dem Begriff "reversibler
Wärmeaustausch" wird die o.b. Übertragung
von Wärmeenergie
einerseits vom Zwischenüberhitzer zum Überhitzer
und andererseits vom Überhitzer zum
Zwischenüberhitzer
verstanden.
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In
den 6 bis 8 ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand eines Verbundkraftwerkes (Hybridmodus) dargestellt. 6 zeigt
schematisch ein Verbundkraftwerk zur Stromerzeugung, welches einen
konventionellen Dampfkreislauf (s. 1) und einen
zusätzlichen
Gasturbinenkreislauf aufweist. Im Gasturbinenkreislauf wird die
angesaugte Frischluft in einem Verdichter 22 auf den Arbeitsdruck
verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer beispielsweise mit
Erdgas befeuerten Brennkammer 23 erhitzt und das so entstandene
Brenngas wird in einer Gasturbine 24 arbeitsleistend entspannt.
Die dabei gewonnenen Energie wird an einen Generator 25 bzw.
an den Verdichter 22 abgegeben. Das noch heisse Abgas der
Gasturbine wird einer Abhitzedampferzeugungsanlage 26 zugeführt und
nach Abgabe seiner Wärme über einen
Kamin ins Freie geleitet.
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Der
Dampfkreislauf in 6 unterscheidet sich von dem
in 1 beschriebenen Dampfkreislauf dadurch, dass das
im Speisewasserbehälter 16 gesammelte
und in der Speisewasserpumpe 17 auf Anlagendruck gebrachte
Speisewasser 2 in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Der erste
Teilstrom gelangt über
den Vorwärmer 18 in
den Dampferzeuger 1. Der zweite Teilstrom wird der Abhitzedampferzeugungsanlage 26 zugeführt. Dort
wird das Speisewasser 2 im Wärmeaustausch mit dem heissen
Abgas der Gasturbine 24 verdampft und überhitzt. Am dampfseitigen
Ausgang soll der Dampf den gleichen Zustand haben wie der Frischdampf
am Ausgang des Dampferzeugers 1. Die beiden überhitzen
Dampf-Teilströme
mün den
stromaufwärts
der Dampfturbine in die gemeinsame Frischdampfleitung 5,
aus der die Hochdruckturbine 6 beaufschlagt wird.
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Nach
der Teilentspannung in der Hochdruckturbine 6 wird der
Dampf vor Eintritt in die Mitteldruckturbine 7 zwischenüberhitzt.
Diese Zwischenüberhitzung
erfolgt im Beispielsfalle in mindestens einer Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19,
was im Detail in 7 dargestellt ist.
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7 zeigt
in einem vergrösserten
Ausschnitt von 6 die Anordnung der erfindungsgemässen Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauscheinheit 19.
Ein Teil des durch den Überhitzer 3 strömenden Frischdampfes 4 oder
auch die gesamte Frischdampfmenge wird in die Einheit 19 geführt, wobei
die Menge des Frischdampfes über
ein Regelventil 27, welches mit einem Regler 28 in
Verbindung steht, den jeweiligen Bedingungen angepasst wird. Andererseits
wird als zweites Medium in die Wärmetauscheinheit 19 Zwischenüberhitzerdampf
eingeführt,
wobei dessen Menge über
eine Massenstromdüse 29 geregelt
wird. Zwischen den beiden jeweils in separaten Rohren entlangströmenden Dämpfen kommt
es nun zu einer Wärmeübertragung,
welche bereits oben beschrieben wurde.
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Im
einem Verbundkraftwerk wird der Hauptkessel bei Teillast betrieben,
um den Frischdampfmassenfluss in den notwendigen Grenzen zu halten. Dieser
Betriebsweise entsprechend entsteht auch der Überhitzer-Frischdampf bei Teillast,
wobei aber der Zwischenüberhitzerdampfmassenstrom
viel höher
ist wegen des zusätzlichen
Dampfes, der vom Abhitzedampferzeuger der Gasturbine bereitgestellt wird.
Dieses Missverhältnis
zwischen Überhitzer
und Zwischenüberhitzer
bewirkt, dass der höhere
Zwischenüberhitzermassenstrom
zu einer niedrigeren Temperatur im Zwischenüberhitzer führt. Somit ist für den Zwischenüberhitzerbereich
zusätzlicher
Brennstoff notwendig. Der Dampfmassenstrom im Überhitzer ist konstant und
die Temperatur wird dadurch geregelt, dass eine Wärmeübertragung vom
Dampf des Überhitzers
an den Dampf des Zwischenüberhitzers erfolgt
(siehe auch 8, oberes Teilbild, Kurve c).
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8 zeigt
in einem oberen Teilbild die Abhängigkeit
der Dampftemperatur T im Überhitzer 3 (Kurve
a) und im Zwischenüberhitzer 9 für zwei verschiedene
Fälle (Kurven
b und c) von der Last L des Dampferzeugers 1. Diese drei
Kurven a, b und c verdeutlichen die Verhältnisse ohne Dampftemperaturregelung
und ohne die erfindungsgemässe
Lösung, d.h.
im ersten Fall (Kurve b) hat der Dampf im (überdimensionierten) Zwischenüberhitzer 9 über den
gesamten Lastbereich wesentlich höhere Temperaturen als der Dampf
im Überhitzer 3,
während
im zweiten Fall (Kurve c) der Dampf im Zwischenüberhitzer 9 über den
gesamtem Lastbereich niedrigere Temperaturen aufweist als der Dampf
im Überhitzer 9.
Letzteres ist z.B. der Fall in einem Verbundkraftwerk (Hybridmodus).
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Wird
nun innerhalb oder ausserhalb des Dampferzeugers 1 mindestens
eine kombinierte Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 angeordnet,
welche bei Anordnung innerhalb des Dampferzeugers 1 aus
einem doppelwandigem Rohr 21 besteht, wobei das innere
Rohr zum Durchströmen
des Überhitzerdampfes
und das äussere Rohr
zum Durchströmen
des Zwischenüberhitzerdampfes
vorgesehen sind, und wobei das äussere Rohr
von Heissgas 20 umströmt
wird, dann findet ein Transport von Wärmeenergie vom Zwischenüberhitzer 9 in
den Überhitzer 3 statt
(Kurve b), während
im zweiten Fall ein Transport von Wärmeenergie vom Überhitzer 3 zum
Zwischenüberhitzer 9 stattfindet (siehe
dicke Pfeile).
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In
den beiden mittleren Teilbildern von 8 ist der
Wärmeaustausch
beispielhaft anhand von Pfeilen dargestellt. Im linken Teilbild
findet ein Wärmeübergang
vom äusseren
Heissgas 20 (bei Anordnung der Wärmetauscheinheit 19 im
Inneren des Dampferzeugers 1) an den Dampf im Zwischenüberhitzer 9 und
dann an den Dampf im Überhitzer 3 statt, so
dass sich seine Temperatur erhöht.
Im rechten Teilbild findet dagegen ein Wärmeübergang in der Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 in
der Weise statt, dass Wärmeenergie
vom Dampf des Überhitzers 3 an
den Dampf des Zwischenüberhitzers 9 abgegeben
wird, so dass die Dampftemperatur des Überhitzers 3 abgesenkt
wird. Das hat zur Folge, dass die beiden Kurven a und b bzw. a und
c entsprechend der Pfeilrichtung im oberen Teilbild von 8 angeglichen
werden, so dass ein Temperaturverlauf wie im unteren Teilbild von 8 dargestellt
ist, entsteht und somit die Temperatur des Dampfes auf einfache
Weise geregelt und der Wirkungsgrad verbessert wird.
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Entscheidend
ist, dass die Wärmeenergie aus
den zwei getrennten Systemen im Verbundkraftwerk (Überhitzer
und Zwischenüberhitzer)
so kombiniert wird, dass schliesslich eine einheitliche Temperatur
sowohl für
den Dampf im Zwischenüberhitzer 9 als
auch für
den Dampf im Überhitzer 3 erreicht
wird.
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Sollten
die mit der Erfindung erzielten Effekte der Temperaturregelung einmal
nicht ausreichend sein, kann die erfindungsgemässe Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit 19 auch
mit den aus dem Stand der Technik bekannten und oben bereits erwähnten Dampftemperaturregelungsmethoden
kombiniert werden.
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- 1
- Dampferzeuger
- 2
- Speisewasser
- 3
- Überhitzer
- 4
- Frischdampf
- 5
- Frischdampfleitung
- 6
- Hochdruckturbine
- 7
- Mitteldruckturbine
- 8
- Leitung
- 9
- Zwischenüberhitzer
- 10
- Leitung
- 11
- Niederdruckturbine
- 12
- Generator
- 13
- Kondensator
- 14
- Pumpe
- 15
- Niederdruckvorwärmer
- 16
- Speisewasserbehälter
- 17
- Speisewasserpumpe
- 18
- Speisewasserhochdruckvorwärmer
- 19
- Überhitzer/Zwischenüberhitzer-Wärmetauschereinheit
- 20
- Heissgas
- 21
- doppelwandiges
Rohr
- 22
- Verdichter
- 23
- Brennkammer
- 24
- Gasturbine
- 25
- Generator
- 26
- Abhitzedampferzeugungsanlage
- 27
- Regelventil
- 28
- Regler
- 29
- Massenstromdüse
- T
- Dampftemperatur
- L
- Last
des Dampferzeugers