DD292502A5 - Verfahren zur erhoehung der manoevrierfaehigkeit von kraftwerksanlagen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erhoehung der Manoevrierfaehigkeit thermischer Kraftwerksanlagen vorgeschlagen, die dadurch erreicht wird, dasz der Entspannungsprozesz in der Dampfturbine im UEberdruckbereich abgebrochen wird und der Wasserdampf-Prozesz mit Kreisprozessen niedrigsiedender Fluids, Waermeuebertrageranlagen und einem Warmwasser-Speicher derart geschaltet ist, dasz mehrere Betriebsweisen mit variabler elektrischer Leistungsabgabe bei konstanter Primaererzeugerleistung moeglich sind. In diesem Fall ist der Warmwasser-Speicher als mehrschichtiger druckaufgelasteter Speichersee ausgelegt.{thermische Kraftwerksanlagen; Entspannungsprozesse; Dampfturbine; UEberdruckbereich; Wasserdampf-Turbine; Waermeuebertrageranlage; niedrigsiedender Fluids; konstante Leistung der Primaererzeugeranlage; variable elektrische Leistungsabgabe}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung ^N

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit von thermischen Kraftwerksprozessen, insbesondere von solchen, bei denen Kreisprozesse mit Wasserdampf-Turbinen angewendet werden. Das Verfahren ist sowohl für die

Anwendung in Verbindung mit konventionellen Kraftwerksprozessen auf der Basis fossiler Energieträger als auch in Kopplung

mit Kernkraftwerken geeigne nd kann unabhängig von besonderen geographischen und geologischen Verhältnissen genutzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Anstieg des Elektroenergiebedarfes, die Entwicklung des Belastungsganges und die wachsende zeitliche Ungleichförmigkeit des Energiebedarfes bedingen erhöhte Systemanforderungen an die Manövrierfähigkeit von Kraftwerksanlagen in einem Elektroenergiesystem.

Dem steht entgegen, daß einerseits die Regelfähigkeit von großen Kraftwerksblöcken begrenzt ist und die Leistungsregelung mit Wirkungsgradeinbußen verbunden ist und andererseits An- und Abfahrprozesse wegen zu hoher Kosten, wegen zusätzlicher Energieverluste, wegen der zu geringen Laständerungsgeschwindigkeiten und aus einer Reihe anderer Gründe möglichst bei großen Einheitsleistungen der Blöcke vermieden werden sollen.

Zur optimalen Anpassung der Erzeugung von Elektroenergie an den Bedarf muß der Anteil regelfähiger Anlagen in einem Vei .orgungssystem mindestens etwa 12-15%, bezogen auf die installierte Leistung, betragen.

Bekannte technische Lösungen zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit bzw. zur Spitzenstromerzeugung sind:

• Hydraulische Pumpspeicherwerke

• Dampfspeicheranlagen

• Gasturbinen-Kraftwerke und

• Pneumatische Druckspeicherwerke

Hydraulische Pumpspeicherwerke und pneumatische Druckspeicherwerke setzen bestimmte geographische bzw. geologische Verhältnisse voraus. Dampfspeicher können nur als Momentanreserve mit kleinen Speicherkapazitäten fungieren. Gasturbinen-Kraftwerke wie auch pneumatische Druckspeicherwerke erfordern hochwertige gasförmige oder flüssige Brennstoffe. Andere technische Lösungsvorschläge, wie Magnetspeicher, Schwungradspeicher, elektro-chemische Batterien oder Wasserstoffspeicherung mit Brennstoffzellen u.a. haben für großtechnische Anlagen noch keine Bedeutung. Da die Anzahl möglicher Standorte für die Errichtung von Pumpspeicherwerken oder pneumatischen Druckspeicherwerken begrenzt ist und hochwertige Energieträger aus Kostengründen möglichst nicht für Spitzenlastanlagen eingesetzt werden sollten, wird hierdurch bereits die Suche nach neuen Verfahren begründet.

Weiterhin wäre anzustreben, den regelfähigen Teil in die Nähe der Erzeugeranlage zu verlegen, um Übertragungsverluste zu reduzieren.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren vorzuschlagen, daß in Kopplung mit thermischen Kraftworksprozessen an beliebigen Standorten unabhängig von bersonderen geographischen oder geologischen Verhältnissen die Möglichkeit bietet, die Hauptanlagen des Kraftwerkes ständig mit Grundlast im Bereich des optimalen Wirkungsgrades zu betreiben, thermische Energie kostengünstig zu speichern und dadurch Be- und Entladung des Speichers, die Erzeugung elektrischer Energie zu regeln und dem schwankenden Bedarf anzupassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, durch dessen Anwendung die Manövrierfähigkeit thermischer Kraftwerksanlagen unabhängig von besonderen geographischen oder geologischen Verhältnissen wesentlich erhöht werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß thermische Kraftwerksanlagen, vorzugsweise mit Dampfturbinen, entsprechend der in der Erfindung vorgeschlagenen Schaltung mit mindestens zwei Kreisprozessen auf der Basis

niedrigsiedender Fluids (vorzugsweise Ammoniak), mit einem unter geringem Überdruck stehenden Warmwasser-Verdrängungsspeicher sowie mit zwischengeschalteten Wärmeübertragern kombiniert werden.

Die erfir\dungsgemäße Grundschaltung ist in Fig. 1 dargestellt.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung wird der Wasserdampf-Kreisprozeß nicht wie üblich zu Kondensation bei niedrigen Kondensationsdrücken und -temperaturen im Unterdruckbereich geführt, sondern bereits im Überdruckbereich bei ca. 1,2 bis 2,0bar abgebrochen, wodurch die Niederdruckteile der Turbinenanlagen einschließlich aller Nebenanlagen entfallen.

Entsprechend der vorgeschlagenen Schaltung ergeben sich drei Möglichkeiten für die Weiterführung des Prozesses, die mit unterschiedlichen elektrischen Erzeugerleistungen verbunden sind:

1. Die Kondensationswärme des Wasserdampfes wird in einer Wärmeübertrageranlage WÜ1 zur Erzeugung von Hochdruckdampf des niedrigsiedenden Fluids genutzt. Mit dem neidrigskdenden Fluid wird ein zweiter Kreisprozeß realisiert, dessen erzeugte elektrische Leistung die Leistungsminderung im Grundprozeß bei gleichen Kondensationsbedingungen nahezu kompensiert, so daß die ursprüngliche Auslegungsleistung des Blockes erreicht wird. (Mittellastbetrieb)

2. Die Kondensationswärme des Wasserdampfes wird zur Erwärmung des Inhaltswassers des Speichers auf eine Temperatur von ca. 105-110⁰C genutzt. Damit wird der Speicher über einen Wärmeübertrager WÜ 2 beladen. Für den Gesamtprozeß tritt für diese Phase eine Reduzierung der elektrischen Leistung auf ca. 70% ein. (Schwachlast)

3. Die Kondensationswärme des Wasserdampfes wird, wie unter Pkt. 1 beschrieben, genutzt. Zusätzlich wird über einen

Wärmeübertrager WÜ3 das Speicherinhaltswasser abgekühlt und der Speicher somit entladen. Im Wärmeübertrager WÜ3 wird wiederum ein niedrigsiedendes Fluid verdampft und ein Kreisprozeß damit realisiert, der dann zusätzliche elektrische Leistung erzeugt.

Die bei der Entladung des Speichers erzeugte zusätzliche Leistung hängt maßgeblich vom Verhältnis der Ge- und Entladezeit und von den Kondensationstemperaturen für den Kreisprozeß des niedrigsiedenden Fluides ab.

Bei gleichen Zeiträumen der Be- und Entladung und mittleren Kondensationstemperaturen ist eine Mehrleistung von ca. 20% zu erwarten, bei kürzeren Entladezeiten steigt die Mehrleistung im Verhältnis der Be- zur Entladezeit. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage zur Erfüllung der Regelaufgabe hängt maßgeblich von den realisierten Kondensationsbedingungen für die Kreisläufe des niedrigsiedenden Fluids ab und liegt bei Kondensationstemperaturen von bis 4O⁰C zwischen 60 und 72%, d.h. er ist mit dem Wirkungsgrad hydraulischer Pumpspeicherwerke vergleichbar. Für die Kreisläufe mit niedrigsiedendem Fluid ist vorzugsweise der Arheitsstoff Ammoniak (NH₃) zu verwenden, durch dessen spezifische Eigenschaften auch vorteilhaft die direkte Luftkondensation genutzt werden kann und damit Leistungsgewinne bei niedrigen Außentemperaturen zu erwarten sind,

Ausführungsbeispiel r

Das Verfahren wird anhand einer zeichnerischen Darstellung gem. Fig. 1 vorzugsweise für den Arbeitsstoff Ammoniak in den nachgeschalteten Kreisläufen beschrieben.

Der primäre Wasserdampf-Prozeß eines konventionellen Wärmekraftwerkes oder eines Kernkraftwerkes wird durch die Hauptanlagen Dampferzeuger (1), Turbine (2), Hochdruck-Vorwärmer (3), Speisepumpen (4), Speisewasserbehälter (5), Niederdruck-Vorwärmer (6) und Kondensatpumpen (7) charakterisiert. Abweichend von üblichen Wasserdampf-Kreisprozessen ist, daß der Dampf in der Turbine (2) nicht bis zu einem im Unterdruckbereich liegenden Kondensationsdruck entspannt wird, sondern daß der Entspannungsprozeß bei einem absoluten Druck von ca. 1,2 bis 2,0 bar abgebrochen wird.

Die Schaltung des Primärprozesses vereinfacht sich entsprechend. Die Leistung der Turbine (2) geht wegen des nicht genutzten Enthalpiegefälles auf ca. 70% der Auslegungsleistung zurück.

Der aus der Turbine (2) austretende Dampf wird entweder dem Wärmeübertrager WÜ 1 (8) und Überhitzer (9) oder dem Wärmeübertrager WÜ 2(17) zugeführt. Dadurch ergeben sich drei Schaltungsvarianten mit unterschiedlicher elektrischer Leistungsabgabe bei kontinuierlich gleichbleibender Leistung des Wasserdampf-Prozesses.

1. Bei Zuführung des Dampfes mit 1,2 bis 2,0barzum Wärmeübertrager WÜ 1 (8) und Überhitzer (9) kann in der Mittellastanlage überhitzter NH₃-Dampf mit einem Druck von ca. 100 bar erzeugt werden. Dieser NH₃-Dampf entspannt sich in der Mittellast-Turbine (10) und wird über den Kondensator (11), die NH₃-Pumpe (13), den Speicher (14), die Speisepumpe (15) und die Vorwärmer (16) wieder dem NH₃-Verdampfer (16) zugeführt. Die in der Turbinenanlage (10) erzeugte Leistung entspricht etwa der Leistungsminderung der Turbine (2), so daß bei dieser Betriebsweise die Auslegungsleistung des Blockes wieder nahezu erreicht wird.

Für den Arbeitsstoff IMH3 kommt vorzugsweise die direkte Luftkondensation im Kondensator (11) und Kühlturm (12) zur Anwendung, da dann niedrige Außenlufttemperaturen vorteilhaft auf den Anlagenwirkungsgrad wirken können.

2. Bei Zuleitung des Dampfes aus der Turbine (2) zum Wärmeübertrager WÜ 2(17) wird die gesamte Mittellastanlage (&-16) stillgesetzt und die Erzeugerleistung reduziert sich auf etwa 70%.

Mit Kondensation des Dampfes im Wärmeübertrager WÜ 2 (17) und Zurückführung in den Primärprozeß über die Kondensatpumpe (21) kann aus dem Warmwasserspeicher (22) über den Verteiler (20) Wasser entnommen, mittels der Speicherladepumpe (18) durch den Wärmeübertrager WÜ 2 (17) gepumpt und dort aufgeheizt werden und über den Verteiler (19) aufgeheizt dem Speicher (22) wieder zugeführt werden. Bei diesem Vorgang wird der Speicher (22) beladen. Das Inhaltswasser des Speichers wird dabei von ca. 9O⁰C auf ca. 105⁰C erwärmt.

3. Für den Fall der Speicherentladung arbeiten der Primärprozeß und die Mittellastanlage wie unter Pkt.

Aus dem Speicher (22) wird jedoch über den Verteiler (19) aufgeheiztes Wasser mit einer Temperatur von ca. 105⁰C entnommen, mittels der Speicherentladepumpe (23) zum Überhitzer (25) und zum Verdampfer (24) dos Wärmeübertragers WÜ 3 gepumpt, in denen sekundärsoitig wiederum NH₃-Dampf mit hohem Druck erzeugt werden kann. Dieser N H3-Dampf des dritten Kreisprozesses entspannt sich in der Turbine (26) und wird im Kondensator (27) verflüssigt und über die Pumpe (29) zum Verdampfer (24) zurückgeführt. In der Turbine (26) wird damit eine zusätzliche Spitzenlast erzeugt,

deren Große vom Verhältnis der Belade- zur Entladezeit und von den Kondensationsbedingungen maßgeblich beeinflußt wird. Für die Kondensation wäre hier wiederum die direkte Luftkondensation vorteilhaft. Die Relationen der Regelbarkeit des Blockes lassen sich vorab beispielsweise für einen 24-Stunden-Zyklus wie folgt darstellen:

Auslegungsleistung 100%

Mittellastbetrieb (Regime 1) über ca. 12 Std. Leistung ca. 98%

Schwachlastbetrieb/Speicherbeladung (Regime 2)

überca.8Std.Leistungca. 70% Spitzenlastbetrieb/Speicherentladung (Regime 3)

überca^Std.Leistungca. 140%

Regelbereich: ca. 70... 140%

0-Leistung:ca. ^N 95%

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit thermischer Kraftwerksanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsprozeß in der Dampfturbine (2) im Überdruckbereich abgebrochen wird und der Wasserdampf-Prozeß mit mindestens zwei Kreisprozessen niedrigsiedender Fluids (vorzugsweise Ammoniak), mehreren Wärmeübertrageranlagen (WÜ1-WÜ3) und einem Warmwasserspeicher (22) derart geschaltet sind, daß mehrere Betriebsweisen mit unterschiedlicher elektrischer Leistungsabgabe bei konstanter Leistung der primären Erzeugeranlage möglich sind.
2. 2. Verfahren zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit thermischer Kraftwerksanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwasserspeicher (22) als mehrschichtiger druckaufgelasteter Speichersee ausgeführt und mit Speichertemperaturen bis ca. 120⁰C betrieben werden kann.