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DE2844742A1 - Verfahren zur gewinnung von elektrischer energie in einem gegendruckdampfsystem - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von elektrischer energie in einem gegendruckdampfsystem

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Publication number
DE2844742A1
DE2844742A1 DE19782844742 DE2844742A DE2844742A1 DE 2844742 A1 DE2844742 A1 DE 2844742A1 DE 19782844742 DE19782844742 DE 19782844742 DE 2844742 A DE2844742 A DE 2844742A DE 2844742 A1 DE2844742 A1 DE 2844742A1
Authority
DE
Germany
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steam
heat
pressure
relaxed
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19782844742
Other languages
English (en)
Inventor
Alfred Dipl Ing Bolkraft
Josef Dipl Ing Dworschak
Anton Dipl Ing Pocrnja
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Priority to AT0156579A priority patent/AT378038B/de
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Priority to EP79103882A priority patent/EP0010254B1/de
Priority to CA000337431A priority patent/CA1150955A/en
Priority to JP13127179A priority patent/JPS5591708A/ja
Priority to US06/084,195 priority patent/US4328675A/en
Publication of DE2844742A1 publication Critical patent/DE2844742A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 106l) H 78/72
Hm/ fl I2.IO.78
Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie in einem Gegendruckdampfsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie in einem Gegendruckdampfsystem, bei dem Wasserdampf arbeitsleistend entspannt wird.
Als Gegendruckdampfsystemewerden hierbei Kraftanlagen bezeichnet, die zur gleichzeitigen Deckung des Kraft- und Wärmebedarfs dienen und eine umfassende Ausnutzung der Brennstoffwärme ermöglichen. In derartigen Systemen dient der in einem Dampfkessel erzeugte Wasserdampf hohen Druckes und hoher Temperatur zunächst dem Antrieb einer Hochdruckturbine, in der der Dampf in eine erste Dampfschiene auf eine geforderte Temperatur oder ein benötigtes Druckniveau entspannt wird. Aus dieser Dampfschiene kann nach bekannten Verfahren Dampf sowohl zur Deckung des Wärmebedarfs der Anlage abgezogen als auch in einer Turbine in eine andere Dampfschiene mit einem niedrigeren Druckniveau entspannt werden.
Anlagen der angegebenen Art sind in "Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft" 38, 1976, Seiten 3 bis 8 beschrieben.
Form. 5729 7.78 /
030017/0344
Bei kraftintensiven Industriezweigen kann der Bedarf an elektrischer oder auch mechanischer Energie durch eine Anlage der erläuterten Art nicht vollständig gedeckt werden. Dies ist beispielsweise bei dem Dampfsystemen der im obengenannten
•5 Artikel beschriebenen Olefin- und Ammoniakanlagen der Fall. Es ist daher erforderlich, zusätzlich Strom oder mechanische Energie in einem reinen Kraft-Prozess mit verhältnismäßig unbefriedigender Primärenergieausnutzung zu erzeugen oder teuren Fremdstrom zu beziehen."
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem in einem Gegendruckdampfsystem der beschriebenen Art das Kraft-Wärmeverhältnis erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dampf eines der vorhandenen Druckniveaus vor der arbeitsleistenden Entspannung zunächst durch Wärmetausch mit entspanntem Dampf und anschließend mit Fremdwärme im wesentliehen isobar erhitzt und nach der Entspannung auf eines der vorhandenen tiefer gelegenen Druckniveaus im wesentlichen isobar gekühlt wird.
Wurde nach den bekannten Verfahren Dampf einer Dampfschiene einfach über eine Turbine auf eine Dampfschiene eines niedrigeren Druckniveaus entspannt, so wird der Dampf erfindungsgemäß zunächst rekuperativ durch Wärme des entspannten Dampfes und anschließend mit Fremdwärme, z.B. in einem brennstoffbefeuerten Erhitzer, nacherhitzt und erst dann, gegebenenfalls in mehreren Stufen, entspannt. Diesen Verfahrensschritten kann der Dampf jedes beliebigen der vorhandenen Druckniveaus unterzogen werden. Auf diese Weise wird der Anteil der in den Turbinen erzeugten mechanischen Energie und damit das Kraft-Wärmeverhältnis erhöht. Dabei 1st die Ausnutzung der Prixnärenergie für die Bereitstellung der Fremd-
Form. 5729 7.78 . / .
030017/03**
wärme der bisherigen Zusatzstromerzeugung weit überlegen.
Durch die rekuperative Erhitzung wird der Dampf auf eine relativ hohes Temperaturniveau gehoben, so daß die Fremdwärme, die dem Dampf nachfolgend zugeführt wird, optimal genutzt, d.h. auf sehr hohem Temperaturniveau aufgenommen wird. Da die Energieausbeute der zusätzlichen Energieerzeugung mit wachsender Temperatur des Dampfes vor der Entspannung steigt, ist eine möglichst hohe Temperatur des Dampfes wünschenswert. Die im Erhitzer erzielbare höchste Temperatur ist nur durch die Materialeigenschaften des Erhitzers begrenzt. Ein weiterer Vorteil der rekuperativen Erhitzung ist darin zu sehen, daß mit steigender Temperatur der Wärmequelle, durch die die Fremdwärme bereitgestellt wird, auch die Temperatur des der Wärmequelle zugeführten Dampfes wächst und somit die Wärme der Wärmequelle in allen Temperaturbereichen optimal genutzt wird. Bei einem idealen Gas und bei beliebig kleinen Temperaturdifferenzen beim rekuperativen Wärmetausch wäre die abgegebene Turbinenleistung gleich der aufgenommenen Fremdwärme.
Die zusätzliche Energie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad erzeugt, als etwa die durch einen reinen Kraft-Prozess bereitgestellte Energie.
Der entspannte Dampf besitzt nach der Isobaren Kühlung noch immer einen höheren Wärmeinhalt als z.B. der nach einem konventionellen Verfahren nur in einer Turbine entspannte Dampf. Daher kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens dieser WarmeÜberschuß zur Erwärmung eines Wärmeabnehmers verwendet werden. Als Wärmeabnehmer kann das zu erhitzende Arbeitsmedium eines zusätzlichen Karftprozesses dienen. Es ist aber von Vorteil, den Wärmeüberschuß zur Speisewasservorwärmung des Gegendruckdampfsystems selbst heranzuziehen, da sich dann für das Zusatzverfahren
030017/0344
unter Berücksichtigung der Verluste im Erhitzer ein Wirkungsgrad von 0,9 ergibt. In einer alternativen Verfahrensweise kann - mit dem gleichen Wirkungsgrad für das Zusatzverfahren der Dampfdurchsatz des Gegendruckdampfsystemes reduziert werden. Schließlich ist es möglich, den Wärmeüberschuß des entspannten und isobar gekühlten Dampfes direkt in eine Dampfschiene niedrigeren Druckniveaus zu leiten, d.h. den isobar gekühlten Dampf ohne weitere Kühlung mit einem Wärmeabnehmer direkt in diese Dampfschiene einzuspeisen.
Insgesamt kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Erhöhung des Kraft-Wärmeverhältnisses innerhalb des Gegendruckbetriebes mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad als in konventionellen Verfahren ermöglicht. Wie beschrieben, ist der hohe Wirkungsgrad auf die dem höheren Temperaturniveau des Dampfres vor der Entspannung entsprechende höhere spezifische Energieerzeugung bzw. auf die Verringerung der erforderlichen Fremdwärme zurückzuführen. Werden in einer Anlage, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren arbeitet, Kondensationsturbinen eingesetzt, verringert sich darüber hinaus im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen mit Kondensationsturbinen die Kühlwassermenge, da infolge des erhöhten Kraft-Wärmeverhältnisses des Gegendruckbetriebes die Dampfmenge für die Kondensationsturbinen reduziert werden kann.
Anhand einer schematischen Skizze soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel einer Anlage beschrieben und erläutert werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich zwei Dampfschienen, eine Mitteldruckdampfschiene 15 und eine Niederdruckdampfschiene 16 dargestellt. Die Zahl der Dampfschienen ist aber nicht auf zwei begrenzt.
35
Form. 5729 7.78
030017/0344
Der Dampf des dargestellten Gegendruckdampfsystems wird in einem Verdampfer 1 erzeugt, in einer Hochdruckturbine 2 auf einen Druck von z.B. 39*2 * lO^N/m entspannt und mit einer Temperatur von 642 K in die Mitteldruckdampfschiene eingespeist. In herkömmlichen Verfahren wurde der Dampf dieser Schiene, soweit er nicht von Wärmeabnehmern 11 verbraucht wurde, über eine Turbine direkt in die Niederdruckdampfschiene 16 entspannt. Erfindungsgemäß wird der Dampf jedoch zunächst im wesentlichen isobar erhitzt. Dazu dient ein Rekuperator 3, in dem ein Teil des Dampfes der Mitteldruckdampfschiene auf eine Temperatur von 770 K erhitzt, und ein brennstoffbefeuerter Erhitzer K, in dem die Dampftemperatur auf 993 K gehoben wird. Der Dampf dieses hohen Temperaturniveaus wird in einer an den Erhitzer angeschlossenen Turbine 5 auf den Druck der Schiene 16 mit beispielsweise 9*8 · ICr N/m entspannt und zur Isobaren Kühlung im Wärmetausch mit anzuwärmendem Dampf über Leitung 8 in den Rekuperator 3 eingeleitet. Die Temperatur des mit 791 K aus der Turbine austretenden Dampfes sinkt im Rekuperator 3 auf 653 K. Dieser Dampf besitzt im Vergleich mit der konventionellen Lösung einen höheren Wärmeinhalt. Dieser Wärmeüberschuß wird im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wärmetausch mit Speisewasser für den Verdampfer 1 abgeführt. Dazu ist der Rekuperator 3 mit einem Wärmetauscher verbunden, aus dem der Dampf mit 49^ K aus- und in die Niederdruckdampfschiene 16 eintritt. Das Speisewasser wird dem Wärmetauscher 6 über eine Leitung 14, die von der Leitung 17 für die Kondensatrückführung abzweigt, zugeleitet und anschließend wieder in Leitung I7 eingespeist. Der Dampf der Niederdruckdampfschiene 16 wird Niederdruck-Prozessdampf-Verbrauchern 10 zugeführt und kondensiert. Sine der Zahl der Dampfschienen entsprechende Zahl an Pumpen 12,13 erhöht den Druck des Kondensates und versorgt den Dampfkessel 1 mit Speisewasser.
Form. 5729 7.78 . /.
030917/Ö3U
t In der folgenden Tabelle 1 sind Temperatur, Druck, spezifische Enthalpie und spezifische Entropie des Dampfes für das beschriebene AusfUhrungsbeispiel an den in der Skizze mit Buchstaben a bis f bezeichneten Stellen angegeben.
In der Tabelle 2 sind die spezifischen Verbrauchszahlen bzw. Leistungen des dargestellten Verfahrensbeispiels aufgeführt.
Wurde bei der konventionellen Lösung Dampf über eine zwischen die Dampfschienen 15 und 16 geschaltete Turbine entspannt, so konnte dieser Turbine pro kg Dampf eine Energie von 266 kJ entnommen werden. Erfindungsgemäß wird der Dampf der Mitteldruckdampfschiene erhitzt. Dazu werden im Erhitzer 4 514 kJ pro kg Dampf übertragen. Im Rekuperator 6 werden davon j545 kJ pro kg rückgewonnen, so daß sich ein Mehrverbrauch von 169 kJ pro kg Dampf ergibt, da die im Rekuperator rückgewonnene Wärme Brennstoffwarme für den Verdampfer 1 ersetzt. Gegenüber der konventionellen Lösung liefert die Turbine pro kg Dampf I69 kJ (ohne Berücksichtigung des Erhitzerwirkungsgrades) mehr Energie. Der Wirkungsgrad des Zusatzverfahrens ist somit 1 bzw. 0,9» wenn der Erhitzerwirkungsgrad, der für den Verdampfer 1 und den Erhitzer 4 gleich sein soll, berücksichtigt wird.
Form. 5729 7.78
030017/034*
Tabelle
Pos. Temperatur Druck Enthalpie i Entropie s
K 105 N/m2 ^ k ^k
a 642 39,2 3,14 6,68
b 770 39,2 3,44 7,11
C 993 39,2 3,96 7,68
d .791 9,8 3,52 7,83
e 653 9,8 3,22 7,42
f 494 9,8, 2,87 6,81
Tabelle
Wärmeyiq = q,-, -qD Verfahrensvor Verfahrens-
Vorschlag		 ionvent.
Verfahren
Brennstoffwärme :
qB —
kg		 Leistung der MD-Turbine (τ)Ψ- 0,8) ^ Zusatz v er fahr ens 514 -
Mehrleistung bei
schlag Jl L kJ
kg		 345 -
Lm Erhitzer (netto) Wirkungsgrad des 169 -
Rückgewonnene Wärme im Rekuperator 6
qR kJ
kg -		 432 266
Mehrverbrauch an
kJ
kg		 169 -
1 bzw.
0,9 bei
Erhitzer
= 0,9 +)
35 +) für HD Dampferzeuger und Erhitzer gleicher Wirkungsgrad.
Form. 5729 7.78
030017/034*

Claims (3)

  1. (H 1061) H 78/72
    Hm/fl I2.IO.78
    Patentansprüche
    Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie in einem Gegendruckdampfsystem, bei dem Wasserdampf arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf eines der vorhandenen Druckniveaus vor der arbeitsieistenden Entspannung zunächst durch Wärme tausch mit entspanntem Dampf und anschließend mit Fremdwärme im wesentlichen isobar erhitzt und nach der Entspannung auf eines der vorhandenen tiefer gelegenen Druckniveaus im wesentlichen isobar gekühlt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte und isobar gekühlte Dampf durch einen Wärmeabnehmer auf die Temperatur des tiefer gelegenen Druckniveaus gekühlt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeabnehmer das Speisewasser für ein Dampfsystem
    ist.
    30
    Form. 5729 7.78
    Q30017/03U
DE19782844742 1978-10-13 1978-10-13 Verfahren zur gewinnung von elektrischer energie in einem gegendruckdampfsystem Withdrawn DE2844742A1 (de)

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