EP0314028A1 - Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Dampfprozess - Google Patents

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EP0314028A1
EP0314028A1 EP88117638A EP88117638A EP0314028A1 EP 0314028 A1 EP0314028 A1 EP 0314028A1 EP 88117638 A EP88117638 A EP 88117638A EP 88117638 A EP88117638 A EP 88117638A EP 0314028 A1 EP0314028 A1 EP 0314028A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
feed water
water
cooled
excess
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88117638A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Timo Dr. Korpela
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.)
Alstom Power Turbinen GmbH
Original Assignee
AEG Kanis Turbinenfabrik GmbH
AEG Kanis GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AEG Kanis Turbinenfabrik GmbH, AEG Kanis GmbH filed Critical AEG Kanis Turbinenfabrik GmbH
Publication of EP0314028A1 publication Critical patent/EP0314028A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/18—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 turbine being of multiple-inlet-pressure type
    • 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
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/185—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using waste heat from outside the plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B3/00—Other methods of steam generation; Steam boilers not provided for in other groups of this subclass
    • F22B3/04—Other methods of steam generation; Steam boilers not provided for in other groups of this subclass by drop in pressure of high-pressure hot water within pressure-reducing chambers, e.g. in accumulators

Definitions

  • the invention relates to the method for increasing the efficiency in the steam process, in which the steam generated in the steam generating system with a hot material stream is fed into a steam turbine, the cooled steam stream condenses from the steam turbine and the feed water of the steam generating system is preheated.
  • the problem is that compared to the gas stream low feed water flow and accordingly low steam flow.
  • the gases can therefore not be cooled down very much without reducing the pressure in the steam process, which in turn reduces the efficiency.
  • the optimal pressure level of the waste heat boiler of a gas turbine is 30-40 bar and the gases can be cooled to a little below 200 ° C with an 1-pressure boiler.
  • the Swedish publication SE-416 835 also shows a preheating system that is a 2-printing process.
  • the steam turbine is fed by the HP part and the LP part gives steam for other general needs, such as preheating the fuel oil and other heating.
  • the system also has a feed water preheater that takes its heat from the LP part of the steam generator.
  • This system also consists of a multi-stage preheating system, with the steam being fed into the steam turbine only at a pressure / temperature level.
  • the power output of the steam turbine can be increased with this system, since the tapping quantity to be discharged by the steam turbines is reduced in a situation in which evaporation would otherwise take place in the preheater.
  • Figure 3a shows a 1-pressure solution in which the evaporation temperature (I) and the so-called "pinch point" temperature difference A 1 limit the cooling available for evaporation and overheating and the amount of heat to be transferred to a value Q0.
  • the amount of heat required to preheat the corresponding amount of feed water is Q 1, which is sufficient for a very low gas cooling in the usual applications in which the inlet temperature of the gas is low. A considerable amount of heat Q h is lost.
  • the gas stream to be cooled can at most be cooled to a temperature T a .
  • a second evaporator at a lower pressure level, ie a 2-pressure solution, which is shown in Figure 3b.
  • the steam (II) generated in this way is fed as an intermediate feed into the steam turbine, as in publication SCH-621 186, or in factory processes or the like, as in publication SE-416 835.
  • the amount of heat recovered from the gas stream to be cooled is increased in comparison to the 2-pressure process by the amount Q2 and the gas stream to be cooled is cooled to a temperature T b at the most .
  • the most important advantage of the invention can be considered that it enables in a simple way: - A process that almost corresponds thermodynamically to a multi-pressure process, in which there are separate steam generator circuits for each pressure level of the expansion device of the process described here, which results in high efficiency - Cooling of the gases reasonably close to the feed water temperature - Solves the operational problems of partial load in the boilers and other objects in which the amount of gas is independent of the heat output - Achieving the advantages described above economically cheaper than with the usual processes, both through increased electricity generation and through lower investment costs.
  • Figure 1 shows an embodiment of the process according to the invention as a process diagram.
  • Figure 2 shows an alternative arrangement of the evaporation according to the invention as a process diagram.
  • Figures 3a to 3d show the temperature-heat quantity diagrams that explain the invention and its technical level.
  • the process gains its thermal energy through a boiler arrangement, which is generally marked with a cipher 1.
  • the components of the boiler arrangement 1 are arranged in the energy-generating medium flow 14, which typically arises from the waste gas flow from the gas turbine, the flue gas flow from the other combustion process, other corresponding hot gas flow or liquid flow.
  • the process shown in the picture would work as a common counterflow system as follows.
  • the steam flow HT is taken from the drum 2, which is passed over the superheater 6 and is then led into the HP part of the steam turbine.
  • This condensation water is normally controlled in various ways via the feed water tank 4 into the system as feed water VS.
  • VH water heater which in this case is the same as VS, is so small that it does not allow a particularly large reduction in the flue gas temperature, as previously stated, regardless of how cold the feed water is.
  • load regulation i.e. with constant or sliding pressure, have no significant effect on efficiency in this regard.
  • the secondary flow V1 of the water comes into the first expansion steam generator 11, in which it can be expanded, whereby it is divided into steam flow H2 and residual water flow V2. Thereafter, the steam stream H2 is overheated with the help of the gas stream 14 in the low-temperature superheater 8 and conducted into the steam turbine 3 at a point corresponding to this pressure.
  • the pressure of the superheated steam is typically 15 bar and the temperature is 250 ° C.
  • the residual water stream V2 is again fed into the next expansion evaporator 12, in which it can be expanded further, dividing it into steam stream H3 and into residual water stream V3.
  • the pressure of the steam stream H3 is typically 5 bar and the temperature is 153 ° C. This stream is mainly led into the stage of the steam turbine 3 corresponding to this pressure as partial steam H31.
  • Part of this steam flow can be fed as part flow H32 into the feed water tank 4 for heating the feed water.
  • the corresponding residual water stream V3 is fed further into the next expansion evaporator 13, in which it is allowed to expand further, in order to form the steam stream H4 and the water stream V4.
  • the pressure of the steam flow H4 can be 1 bar and the temperature 100 ° C.
  • This residual water flow V4 is via the condenser 10 into the condensation water VL led, the temperature is typically about 40 ° C.
  • the arrangement implemented with the surface heat exchanger 5 with regard to the condensation water VL and VLK and the feed water VK and VS relates to the degassing of the feed water and as such is not associated with this invention.
  • the heat recovery according to Figure 3c is increased in this invention by increasing the water flow through the feed water preheater and increasing the heat area of the feed water preheater, which is as much as necessary and profitable.
  • the flue gas can in principle be cooled down to the temperature of the feed water coming from the condenser. B. to the temperature T c , the amount of heat recovered also increases compared to the 2-pressure solution by the amount Q3.
  • saturated HD water is obtained more than the amount of heat Q available to the evaporation and overheating part of the boiler can evaporate and overheat. Therefore, the excess feed water is removed from the boiler and used to generate vapors of lower pressures, in the alternative ways described in this application and thus cooled again in the feed water preheater (the cooling phase of the water is not shown in Figure 3c).
  • the resulting LP vapors are fed into the steam turbine as an intermediate feed, whereby the electrical power of the turbine increases.
  • the primary steam flow HT into the steam turbine 3 remained constant at 37.4 kg / s.
  • Figure 1 shows only one example process according to the invention.
  • the principle of the invention can be applied in many different ways, by adhering to its principle of feeding in excess feed water and z.
  • B. evaporated with the expansion methods 11, 12 and 13 mentioned and this steam leads into the steam turbine 3.
  • expansion vaporizers at three pressure / temperature levels, but expansion vaporizers can only have one or more than three.
  • the steam obtained from these expansion evaporators can be superheated with gas flow in one or more superheaters 8, or the vapors can be fed into the turbine without overheating.
  • a particularly favorable way of realizing the overheating is to overheat the steam HS available in each case from the expansion evaporator in the heat exchanger 23 with the water V1 coming into this evaporator.
  • the steam flow H3 is accordingly overheated with the water flow V2, the steam flow H4 with the water flow V3 etc.
  • partial steam streams H32 can be taken at various points in the evaporation process and led to the feed water heating or this phase can be omitted and the entire steam into the Guide turbine 3.
  • the arrangements connected to the feed water tank 4 and the heat exchanger 5 itself can also be different.
  • the excess feed water to be circulated can either be returned to the suction side of the feed water pump 16 or, using a separate circulating pump, to the pressure side thereof.
  • low-temperature circulating water V1 can also be used to evaporate using a surface heat exchanger combination 21 ( Figure 2), this excess water flow V1 being the stream to be cooled or, if desired, the superheating stream as well Is medium.
  • a lower water flow for evaporation can also be taken from this at the same time, from which the corresponding steam flow HS is created in the steam turbine. This water can of course also be taken elsewhere.
  • the system described above is shown in Figure 2. Otherwise, the variations of the system described above are applicable in connection with this or similar evaporators (if these evaporators are available at several pressure levels).
  • the excess feed water V1 taken for circulation can be fed into a steam separator of the same pressure (not shown in the pictures).
  • the steam obtained from this separator is fed into the boiler or into the boiler drum 2 and the remaining water is fed into devices 11, 12, 13; 21 cooled, which generate LP steam.
  • ND vapors H2, H3, H4; HS are treated as described above. If the getting of salts of the cooling water in the LP circulation is to be avoided, the feed water V1 in the boiler drum 2 is taken from a special feed water channel before the preheated feed water VH has mixed into the boiler water VP.
  • waste heat from the process e.g. B. flue gas flow
  • the waste heat energy of the flue gas can thus be used extremely effectively.
  • the heat flow 14 can also be another flue gas flow or an exhaust gas flow from any engine, e.g. B. a ship machine, or a hot medium flow from any process, the medium can be gaseous, liquid or a combination of the two.
  • Stream 14 may also include solid particles.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Dampfprozess, in dem der im Dampferzeugungsprozess (1) mit heissem Materialstrom (14) erzeugte Dampf (HT) in die Dampfturbine eingespeist wird. Der von der Dampfturbine kommende gekühlte Dampfstrom (HL) wird kondensiert. Das Speisewasser (VS) des Dampferzeugungssystems (1) wird vorerwärmt. Durch den Speisewasservorwärmer (9) wird mehr Speisewasser gepumpt als die Dampferzeugung des Kessels (1) voraussetzt. Das überschüs­sige Speisewasser (V1) wird in Niederdruck-Dampf (ND-Dampf) erzeugenden Einrichtungen (11, 12, 13; 21) gekühlt. Die so entstandenen Niederdruck-­Dämpfe (H2, H3, H4; HS) werden als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine (3) gespeist und gekühlt zurück in den Speisewasservorwärmer (9) geführt. Das abgekühlte überschüssige Speisewasser wird in das in den Speisewasser­vorwärmer laufende Speisewasser (VS) zurückgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Dampfprozess, in dem der im Dampferzeugungssystem mit heissem Materialstrom erzeugte Dampf in eine Dampfturbine eingespeist, der abgekühlte Dampfstrom aus der Dampfturbine kondensiert und das Speisewasser des Dampferzeugungs­systems vorgewärmt wird.
  • In Dampfturbinenprozessen, die ihre Energie z. B. von der Abhitze der Gasturbinen erhalten, ist das Problem der im Vergleich zum Gasstrom geringe Speisewasserstrom und dementsprechender geringer Dampfstrom. Die Gase können somit nicht besonders viel abgekühlt werden ohne den Druck im Dampfprozess zu vermindern, wodurch der Wirkungsgrad wiederum verschlechtert wird. In der Praxis beträgt das optimale Druckniveau des Abhitzekessels einer Gasturbine 30-40 bar und die Gase können mit einem l-Druckkessel auf etwas unter 200 °C abgekühlt werden.
  • Dieses Problem hat man auf mehrere, voneinander nur wenig abweichende Weise zu lösen versucht. Die üblichste Lösung ist gewesen, ein 2-Druckprozess zu bilden, wobei das optimale Druckniveau in den Abhitzeprozessen der Gasturbine 60 bis 80 bar beträgt, und die Gase danach betragen typisch mehr als 250°C Von dieser Wärme wird ein Teil mit einem getrennten Verdampfer des niedri­geren Druckniveaus zurückgewonnen, dessen Dampf in die Anzapfung der Turbine eingespeist wird. Auf diese Weise kann der Wärmegehalt der Gase genauer genutzt und ihre Ausgangstemperatur um mehrere zig Grade gesenkt werden. Ein Beispiel für die Anwendung einer 2-Drucklösung ist in der Schweizer Patent­schrift SCH-621 186 dargestellt.
  • Eine etwas andersartige Lösung ist in der Schweizer Patentschrift SCH-645 433 dargestellt. In dem System, das in dieser Veröffentlichung beschrieben ist, ist neben dem Abhitzekessel der Gasturbine ein getrennter Dampfkessel ange­ordent, wodurch die Gesamtspeisewassermenge der beiden Kessel gerade gross genug wird, um den Abhitzegasstrom der Gasturbine bis auf fast 100°C abkühlen zu können. Somit wird der von den beiden Kesseln insgesamt erhaltene Hochdruckdampf nur auf einem Druck/Temperaturniveau in die Dampfturbine eingespeist.
  • In der schwedischen Aufgebotsveröffentlichung SE-416 835 ist auch ein Vorwärmsystem dargestellt, das ein 2-Druckprozess ist. In diesem System wird die Dampfturbine vom HD-Teil gespeist und der ND-Teil gibt Dampf für sonstigen allgemeinen Bedarf, wie für das Vorwärmen des Brennöls und sonstige Heizung. Das System hat ausserdem eine Speisewasservorwärmung, die ihre Wärme vom ND-Teil des Dampferzeugers nimmt. Auch dieses System besteht somit von einem mehrstufigen Vorwärmsystem, wobei der Dampf nur auf einem Druck/Tempe­raturniveau in die Dampfturbine eingespeist wird.
  • In der finnischen Aufgebotsveröffentlichung FI-58681 ist ein Verfahren dar­gestellt, in dem im Speisewasservorwärmer des Abhitzekessels eine Speisewas­serumwälzung zurück in den Speisewasserbehälter auf der Saugseite der Speisewasserpumpe angeordnet ist. Dadurch wird die Regulierbarkeit in der Hinsicht erreicht, dass die Wasserverdampfung im Speisewasservorwärmer wegen der erhöhten Wassermenge verhindert werden kann. Das beschriebene System, dessen Variationen auch verwendet werden, führt in der Regel zur verschlech­terten Rauchgaskühlung bei Erhöhung der Speisewasserumwälzung, da die Zulauf­temperatur des Speisewassers in den Speisewasservorwärmer in der Praxis steigt.
  • Gemäss der Veröffentlichung kann mit diesem System die Leistungsabgabe der Dampfturbine erhöhtwerden, da sich die von den Dampfturbinen abzuführende Anzapfmenge in einer Situation verringert, in der sonst eine Verdampfung im Vorwärmer erfolgen würde.
  • Das oben Beschriebene wird hinsichtlich der Thermodynamik durch das Schema 3 beleuchtet, in dem die Temperaturen T und übertragenen Wärmemengen Q des abzukühlenden Gasstromes oder sonstigen Materialstromes K und des kühlenden Wassers V dargestellt sind.
  • Im Bild 3a ist eine 1-Drucklösung dargestellt, in der die Verdampfungstem­peratur (I) und sog. "Pinch Point" Temperaturdifferenz A₁ die für die Verdampfung und überhitzung zur Verfügung stehende Kühlung und die zu übertragende Wärmemenge auf einen Wert Q₀ begrenzen. Die zum Vorwärmen der entsprechenden Speisewassermenge erforderliche Wärmemenge beträgt Q₁, was für eine recht geringe Gasabkühlung in den üblichen Anwendungen ausreicht, in denen die Eintrittstemperatur des Gases niedrig ist. Eine beachtliche Wärmemenge Qh geht verloren. Der abzukühlende Gasstrom kann höchstens auf eine Temperatur Ta gekühlt werden.
  • Die gewöhnliche Art diesem abzuhelfen ist der Einbau eines zweiten Ver­dampfers auf niedrigerem Druckniveau, d. h. eine 2-Drucklösung, die im Bild 3b dargestellt ist. Normalerweise wird der auf diese Weise erzeugte Dampf (II) als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine geführt, wie in der Veröffentlichtung SCH-621 186, oder in Fabrikprozessen oder ähnlichen, wie in der Veröffentlichung SE-416 835, genutzt. Die vom abzukühlenden Gasstrom zurückgewonnene Wärmemenge wird im Vergleich zum 2-Druckprozess um die Menge Q₂ erhöht und der abzukühlende Gasstrom wird höchstens auf eine Temperatur Tb gekühlt.
  • Wenn durch den Speisewasservorwärmer zuviel Speisewasser gepumpt wird und dessen Überschuss ungekühlt auf die Eintrittsseite zurückgeführt wird, wie in der Veröffentlichung FI-58681, steigt die Eintrittstemperatur des Speise­wassers (T₀-T₁ T₂, Bild 3d) und dies hat zur Folge, dass die im Speisewasser gespeicherte Wärmemenge sinkt. Dieses Phänomen wird jedoch bei der Teillast­regelung genutzt, wenn die Zulauftemperatur des Gases sinkt (0 - 1 - 2 im Bild 3d), wobei die Dampferzeugung des Kessels sinkt, demzufolge die Speisewassermenge sinken würde. Das Wasser würde also schon im Speisewasser­vorwärmer anfangen zu kochen, was man aus mehreren Gründen zu verhindern oder auf Minimum zu beschränken versucht, und eine verwendete Methode ist die Extraumwälzung des Speisewassers. Andererseits wäre es hinsichtlich der wirkungsgrades nötig, dass sich das Speisewasser schon im Vorwärmer bis zum Sättigungspunkt erwärmen würde In der Veröffentlichung FI-58681 ist ein diesbezügliches Verfahren dargestellt. In diesem Verfahren kann man durch bestimmte Regelungsarten der Speisewasserumwälzung einerseits die Verdampfung im Speisewasservorwärmer verhindern und andererseits fast eine Kochtemperatur erreichen. Auch die vorher genannte, mit 2-Druckprozess verbundene Veröffent­lichung SCH-621 186 ist zur Lösung des vorgeschriebenen Teillastproblems gedacht. Dazu gehört jedoch keine Speisewasserumwälzung.
  • Der Nachteil der obenbeschriebenen Systeme ist - wegen der mehrstufein HD-­Verdampfung - eine komplizierte Dampferzeugungsseite und somit auch ein hoher Preis. Ausserdem wird das Problem bei den oben behandelten Lösungen im allgemeinen grösser bei Teillasten der Gasturbinenanlage, wenn der Gasstrom des Abhitzekessels unverändert bleibt, aber die zu erhaltene Energie sich verringert, wobei sich auch die Dampferzeugung des Kessels verringert.
  • Dies führt auch zu betriebstechnischen Problemen, wenn die Vorwärmer auf oben erwähnte Weise wegen des verringerten Wasserstromes zu verdampfen beginnen, wenn nicht Änderungen der Prozessschaltung durchgeführt werden - wobei sich wiederum der Wirkungsgrad der Teillast verschlechert - oder dann ein Prozess im Nennpunkt weit weg von einer wirtschaftlichen Optimalauslegung geplant wird.
  • Mit Hilfe des Prozesses gemäss der Erfindung können die oben beschriebenen Missstände ausschlaggebend verbessert werden. Um dies zu verwirklichen, sind für das erfindungsgemässe Verfahren die in den Patentansprüchen beschriebenen Massnahmen vorgesehen.
  • Als wichtigster Vorteil der Erfindung kann betrachtet werden, dass sie auf eine einfache Weise ermöglicht:
    - ein Prozess, der thermodynamisch fast einem Mehrdruckprozess entspricht, in dem es getrennte Dampferzeugerkreise für jedes Druckniveau der Expansionseinrichtung des hier beschriebenen Prozesses gibt, was einen hohen Wirkungsgrad zur Folge hat
    - Abkühlung der Gase angemessen nahe zur Speisewassertemperatur
    - die betriebstechnischen Probleme der Teillast in den Wärmekesseln und sonstigen Objekten löst, in denen die Gasmenge von der Abhitzeleistung unabhängig ist
    - Erreichen der oben beschriebenen Vorteile wirtschaftlich günstiger als bei den üblichen Prozessen sowohl durch erhöhte Stromerzeugung als auch durch geringere Investitionskosten.
  • Nachstehend wird die Erfindung eingehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • Im Bild 1 ist eine Verwirklichungsform des erfindungsgemässen Prozesses als Prozessschema dargestellt Im Bild 2 ist eine alternative erfindungsmässige Anordnung der Verdampfung als Prozessschema dargestellt. In den Bildern 3a bis 3d sind die Temperatur-Wärmemenge-Diagramme dargestellt, die die Erfindung und deren technisches Niveau erläutern.
  • Der Prozess gewinnt seine Wärmeenergie durch Kesselanordnung, die im allge­meinen mit einer Chiffre 1 markiert ist. Die Komponenten der Kesselanord­nung 1 sind im energiebringenden Mediumstrom 14 angeordnet, der typisch aus dem Abhitzegasstrom der Gasturbine, dem Rauchgasstrom des sonstigen Brenn­prozesses, sonstigem entsprechenden heissem Gasstrom oder Flüssigkeitsstrom entsteht.
  • Der im Bild dargestellte Prozess würde als übliches Gegenstromssystem wie folgt funktionieren. Das vom Speisewasserbehälter 4 kommende Speisewasser VS, dessen Temperatur ca. 55°C beträgt, kommt über ND-Vorwärmer 9 in die Dampf­abscheidetrommel 2 der Kesselanlage, wovon es als Strömung VP in den Dampferzeuger 7 umgewälzt wird, um den Dampf HP in die Trommel 2 zu bekommen. Von Trommel 2 wird der Dampfstrom HT genommen, der über den Überhitzer 6 geleitet wird und danach in den HD-Teil der Dampfturbine geführt wird. Der Abdampf HL aus der Dampfturbine 3, der seine Energie verbraucht hat, läuft durch den Kondensator 10 und wandelt sich in Wasserstrom VL, dessen Tempe­ratur ca 40°C betragen kann. Dieses Kondensationswasser wird normalerweise verschiedenartig gesteuert über den Speisewasserbehälter 4 in das System als Speisewasser VS geführt.
  • Nur in diesem Prozess umlaufende Wassermange VH, die in diesem Fall dieselbe ist wie VS, ist so klein, dass sie kein besonders grosses Senken der Rauchgastemperatur ermöglicht, wie vorher schon festgestellt, egal wie kalt das Speisewasser ist. Die üblichen Lastregelungsarten, d h. mit konstantem oder gleitendem Druck, haben keine wesentliche Wirkung auf den Wirkungsgrad in dieser Hinsicht.
  • Zur Lösung der oben vorher beschriebenen Wirkungsgrad- und Teillastproblemen sind in diesem Dampfprozess erfindungsgemäss (Bild 1 als Beispiel) drei Expansionsverdampfer 11, 12 und 13 angeordnet In normaler Belastungssitua­tion während des Betriebes sowohl bei Vollast als auch bei Teillast, wenn erfindungsgemäss Speisewasser VS mehr gespeist wird als die Dampferzeugung des Kessels 1 voraussetzt, strömt die zur primären Dampferzeugung verbrauchte Wassermenge als zu verdampfendes Wasser VH in die Kesseltrommel 2 und der überschüssige Teil der gespeisten Wassermenge in den Nebenstrang als Wasser V1 nach dem ND-Vorwärmer 9. Das zu verdampfende Wasser VH läuft weiter über den Dampferzeuger 7 wie vorher beschrieben.
  • Der Nebenstrom V1 des Wassers kommt in den ersten Expansionsdampferzeuger 11, in dem man ihn ausdehnen lässt, wobei er sich in Dampfstrom H2 und Restwasserstrom V2 teilt. Danach wird der Dampfstrom H2 mit Hilfe des Gasstromes 14 im Niedertemperaturüberhitzer 8 überhitzt und in die Dampf­turbine 3 an einer diesem Druck entsprechenden Stelle geführt. Typisch beträgt hierbei der Druck des überhitzten Dampfes 15 bar und die Temperatur 250 °C. Der Restwasserstrom V2 wird wieder inden nächsten Expansionsver­dampfer 12 geführt, in dem man ihn weiter expandieren lässt, wobei er sich in Dampfstrom H3 und in Restwasserstrom V3 teilt. Der Druck des Dampfstromes H3 beträgt typisch 5 bar und die Temperatur 153°C. Dieser Strom wird hauptsäch­lich in die diesem Druck entsprechende Stufe der Dampfturbine 3 als Dampf­teilstrom H31 geführt.
  • Ein Teil dieses Dampfstromes kann als Teilstrom H32 in den Speisewasserbehäl­ter 4 zur Heizung des Speisewassers geführt werden. Der entsprechende Restwasserstrom V3 wird weiter in den nächsten Expansionsverdampfer 13 geführt, in dem man ihn weiter expandieren lässt, zwecks Bildung des Dampfstromes H4 und des Wasserstromes V4. In dieser Phase kann der Druck des Dampfstromes H4 1 bar und die Temperatur 100 °C betragen. Dieser Restwas­serstrom V4 wird über den Kondensator 10 in das Kondensationswasser VL geführt, dessen Temperatur typisch ca. 40 °C beträgt.
  • Die mit dem Oberflächenwärmetauscher 5 verwirklichte Anordnung hinsichtlich des Kondensationswasser VL und VLK sowie des Speisewasser VK und VS betrifft die Entgasung des Speisewassers und ist als solcher nicht mit dieser Erfindung verbunden.
  • Von der Thermodynamik her betrachtet wird in dieser Erfindung die Wärmerück­gewinnung entsprechend Bild 3c verstärkt, indem der durch den Speisewasser­vorwärmer laufende Wasserstrom erhöht und die Wärmfläche des Speisewasservor­wärmers vergrössert wird, u. z. so viel wie erforderlich und rentabel ist. Das Rauchgas kann in Prinzip bis auf die Temperatur des vom Kondensator kommenden Speisewassers gekühlt werden, in der Praxis z. B. auf die Tempera­tur Tc, wobei sich die zurückgewonnene Wärmemenge auch im Vergleich zur 2-­Drucklösung weiter um die Menge Q₃ vergrössert. Durch geeignete Auslegung der Einrichtungen und Regelung des Wasserstromes erhält man somit gesättigtes HD-Wasser mehr als die dem Verdampfungs- und Überhitzungsteil des Kessels zur Verfügung stehende Wärmemenge Q verdampfen und überhitzen kann. Darum wird das überschüssige Speisewasser aus dem Kessel abgeführt und zur Erzeugung von Dämpfen niedrigerer Drücke verwendet, in den in dieser Anmeldung beschrie­benen alternativen Weisen und so gekühlt von neuem in den Speisewasservor­wärmer (die Kühlungsphase des Wassers ist aus Bild 3c nicht ersichtlich) zurückgeführt.
  • Die entstehenden ND-Dämpfe werden als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine eingespeist, wobei die elektrische Leistung der Turbine steigt.
  • In einem diesem Beispiel entsprechenden Fall (Bild 1) war die Wirkung der Speisewasserumwälzung über die Expansionsverdampfer bei unveränderter Auslegung der Einrichtungen wie folgt:
    Umwälzung Leistung der Dampfturbine (netto) Leistungsanstieg
    0 kg/s 40,73 MW 0 MW
    7,38 " 41,58 " 0,75 "
    16,08 " 42,24 " 1,51 "
    25,91 " 42,60 1,87 "
    36,72 " 42,48 1,75 "
  • Hierbei blieb der primäre Dampfstrom HT in die Dampfturbine 3 konstant 37,4 kg/s.
  • Im Bild 1 ist nur ein erfindungsgemässer Beispielprozess dargestellt. Das Prinzip der Erfindung kann in vielen verschiedenen Weisen angewandt werden, indem man sich an ihr Prinzip, Speisewasser im Überschuss einzuspeisen, hält und diesem Überschuss z. B. mit den erwähnten Expansionsverfahren 11, 12 und 13 verdampft und diesen Dampf in die Dampfturbine 3 führt. Im Beispielfall gibt es Expansionsverdampfer auf drei Druck/Temperaturniveaus, aber Expan­sionsverdampfer kann es nur einen geben oder mehr als drei. Der von diesen Expansionsverdampfern erhaltene Dampf kann in einem oder in mehreren Überhitzern 8 mit Gasstrom überhitzt werden, oder die Dämpfe können ohne Überhitzung in die Turbine geführt werden.
  • Eine besonders günstige Art die Überhitzung zu verwirklichen (im Bild 2 dargestellt) ist, den vom Expansionsverdampfer jeweils erhältlichen Dampf HS im Wärmetauscher 23 mit dem in diesen Verdampfer kommenden Wasser V1 zu überhitzen. Angewandt auf das Beispiel im Bild 1 wird dementsprechend der Dampfstrom H3 mit dem Wasserstrom V2, der Dampfstrom H4 mit dem Wasser­strom V3 usw. überhitzt. Man kann auch die Überhitzung mit dem Gasstrom 14 und die Überhitzung mit den Wasserströmen V1, V2 und/oder V3 verbinden Ebenso können Teildampfströme H32 an verschiedenen Stellen des Verdampfungs­prozesses genommen und zur Speisewasserheizung geführt werden oder man kann diese Phase auslassen und den ganzen Dampf in die Turbine 3 führen.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Anzahl und Konstruktion der Vorwärmer mit niedrigen Temperaturen 9, Überhitzer 8, Dampferzeuger 7 und Überhitzer 6 gemäss der Strömung und dem Typ der Wärmequelle unter Anwendung von allen als solcher bekannten Konstruktionen geplant ist. Ebenso kann die Überhitzung mit den Wasserströmen V1, V2 und/oder V3 unter Verwendung von beliebiger als solcher bekannter Wärmeaustauscherkonstruktion zwischen dem Wasserstrom und dem entsprechenden Dampfstrom HS, H2, H3 und/oder H4 verwirklicht werden.
  • Auch die mit dem Speisewasserbehälter 4 und dem Wärmetauscher 5 selbst verbundenen Anordnungen können andersartig sein. Das umzuwälzende über­schüssige Speisewasser kann je nach den Prozessanforderungen entweder auf die Saugseite der Speisewasserpumpe 16 oder unter Verwendung einer getrennten Umwälzpumpe auf deren Druckseite zurückgeführt werden.
  • Ausser mit den oben beschriebenen Expansionsverdampfern ("flash"-Trommel) kann mit Umwälzwasser niedriger Temperatur V1 auch unter Verwendung einer Oberflächenwärmetauscherkombination 21 (Bild 2) verdampft werden, wobei dieser überschüssige Wasserstrom V1 der abzukühlende Strom ist oder auch auf Wunsch wie oben auch das überhitzende Mittel ist.
  • Von diesem kann auch gleichzeitig ein geringerer Wasserstrom zur Verdampfung genommen werden, woraus der entsprechende Dampfstrom HS in die Dampfturbine entsteht. Dieses Wasser kann natürlich auch woanders genommen werden. Das oben beschriebene System ist im Bild 2 dargestellt. Ansonsten sind die oben beschriebenen Variationen des Systems im Zusammenhang mit diesem oder ähnlichen Verdampfern (wenn es diese Verdampfer auf mehreren Druckniveaus gibt) anwendbar.
  • In dem Fall, dass das vom Vorwärmer kommende Umlaufwasser VH schon Dampf beinhaltet, d h. der Vorwärmer hat verdampft, kann das zur Umwälzung genommene überschüssige Speisewasser V1 zuest in einen Dampfabscheider gleichen Drucks (nicht in den Bildern dargestellt) geführt werden. Der von diesem Abscheider erhaltene Dampf wird in den Kessel oder in die Kessel­trommel 2 geführt und das übrig gebliebene Wasser wird in Einrichtungen 11, 12, 13; 21 gekühlt, die ND-Dampf erzeugen. So entstandene ND-Dämpfe H2, H3, H4; HS werden wie oben beschriebenen behandelt. Wenn das Gelangen von Sälzen des Kühlwassers in dem ND-Umlauf vermieden werden soll, wird das Speisewas­ser V1 in der Kesseltrommel 2 von einer besonderen Speisewasserrinne genommen, bevor sich das vorgewärmte Speisewasser VH in das Kesselwasser VP gemischt hat.
  • Unabhängig vom Vorerwähnten und zusätzlich kann die Abhitze des aus diesem Prozess abgeführten, z. B. Rauchgasstromes, noch mit Hilfe der Kesseleinrich­tung 15 zur Heizung des für andere Zwecke verbrauchten Wasser verwendet werden. Somit kann die Abhitzeenergie des Rauchgases äusserst wirksam genutzt werden.
  • Oben ist als Anwendungsobjekt des Prozesses hauptsächlich die Nutzung der Abhitze der Gasturbinen erwähnt. Die Anwendung des Prozesses ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern der Wärmestrom 14 kann auch ein sonstiger Rauch­gasstrom sein oder ein Abgasstrom eines beliebigen Motors, z. B. einer Schiffmaschine, oder ein heisser Mediumstrom von einem beliebigen Prozess, wobei das Medium gasförmig, flüssig oder eine Kombination der beiden sein kann. Der Strom 14 kann auch feste Partikel beinhalten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Dampfprozess, in dem der im Dampferzeugungsprozess (1) mit heissem Materialstrom (14) erzeugte Dampf (HT) in die Dampfturbine eingespeist wird, der von der Dampfturbine kommende gekühlte Dampfstrom (HL) kondensiert und das Speisewasser (VS) des Dampferzeugungssystems (1) vorgewärmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch den Speisewasservorwärmer (9) mehr Speisewasser gepumpt wird, als die Dampferzeugung des Kessels (1) voraussetzt, dass das überschüssige Speisewasser (V1) in Niederdruck-Dampf (ND-Dampf) erzeugenden Einrichtun­gen (11, 12, 13; 21) gekühlt wird und dass die so entstandenen Nieder­druck-Dämpfe (H2, H3, H4; HS) als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine (3) gespeist und gekühlt zurück in den Speisewasservorwärmer (9) geführt werden und dass das abgekühlte überschüssige Speisewasser in das in den Speisewasservorwärmer laufende Speisewasser (VS) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das umwälzende überschüssige Speisewasser (V1) gekühlt wird, indem man es auf niedrigeren Druck in einer oder mehreren Stufen (11, 12, 13) expandiert, und dass jeder entstandene Expansionsdampfteilstrom (H2, H3, H4) als Zwischeneinspeisung an einer dem betreffenden Druckniveau entsprechenden Stelle in die Dampfturbine (3) eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das umzuwälzende überschüssige Speisewasser (V1) in das in den Speisewasservorwärmer laufende Speisewasser (VK) auf die Saugseite der Speisewasserpumpe (16) zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das umzuwälzende überschüssige Speisewasser (V1) in Oberflächenwärme­tauschern (21) gekühlt wird, und der in diesen beim Kochen des Kühlers entstehende Dampf (HS) als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine (3) eingespeist wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das umzuwälzende überschüssige Speisewasser (V1) unter Verwendung einer besonderen Umwälzpumpe (22) auf die Druckseite der Speisewasser­pumpe (16) zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zur Kühlung verbrauchte überschüssige Speisewasser (V1) nach dem Speisewasservorwärmer (9) genommen wird, bevor das Speisewasser in die Kesseltrommel (2) gelangt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das in die Umwälzung genommene überschüssige Speisewasser (V1) zuerst in eine Dampfabscheideeinrichtung gleichen Drucks geführt wird, wovon der Dampf in die Kesseltrommel (2) geführt und das übrig gebliebene Wasser in ND-Dampf erzeugenden Einrichtungen (11, 12, 13; 21) gekühlt wird und dass die somit entstandenen ND-Dämpfe (H2, H3, H4; HS) als Zwischeneinspeisung in die Dampfturbine eingespeist werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das für die Kühlung genommene überschüssige Speisewasser (V1) in der Kesseltrommel (2) von einer besonderen Speisewasserrinne genommen wird, bevor sich das vorgewärmte Speisewasser (VH) in das Kesselwasser (VP) gemischt hat.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das für die Kühlung genommene überschüssige Speisewasser (V1) von dem in der Kesseltrommel (2) befindlichen Kesselwasser (VP) genommen wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umlaufwassermenge (VS) des Speisewasservorwärmers (9) so eingestellt ist, dass das Speisewasser (VH) die dem Druck der Kessel­trommel (2) entsprechende Kochtemperatu erreicht, bevor davon der in dem Umlauf gehende überschüssige Speisewasseranteil (V1) getrennt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens in einer der ND-Dampf erzeugenden Einrichtungen (11, 12, 13) entstandene Dampf (H2, H3, H4) mit dem in die betreffende Einrichtung kommenden entsprechenden umlaufenden überschüssigen Speise­wasser (V1, V2, V3) überhitzt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens in einer der ND-Dampf erzeugenden Einrich­tungen (11, 12, 13) entstandene Dampf (H2, H3, H4) mit einem Über­hitzer (8) überhitzt wird, der sich im heissen Materialstrom (14) in einer Temperaturstufe befindet, die der Temperatur zwischen dem Vorwärmer (9) und dem Verdampfer (7) des Primärkreises entspricht.
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