DE102006028007A1

DE102006028007A1 - Dampfkraftanlage

Info

Publication number: DE102006028007A1
Application number: DE200610028007
Authority: DE
Inventors: Piotr Dobrowolski; Piotr Krzyslak
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-20
Also published as: WO2007144285A3; WO2007144285A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage (1), in welcher ein Arbeitsfluid (2) in einem Kreislauf umläuft, wobei eine regenerative Zwischenüberhitzung (30) vorgesehen ist, die vorzugsweise den gesamten Strom des Arbeitsfluids (2) vor dem Eintritt in eine Niederdruckturbine (11) zwischenüberhitzt und und welche mittels Dampfentnahme aus der stromaufwärts befindlichen Entspannungsstrecke (8) beheizt wird. Die die Zwischenüberhitzung (30) beheizenden Dampfströme werden bevorzugt zur Speisefluidvorwärmung (4) genutzt. Die Zwischenüberhitzung (30) ist als mehrstufige regenerative Zwischenüberhitzung (30) ausgebildet. Dies führt zu erhöhten Wirkungsgraden und geringerer Erosion an den Niederdruckschaufeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage, in welcher ein Arbeitsfluid in einem Kreislauf umläuft, mit mindestens einer Turbine, in welcher das Arbeitsfluid unter Abgabe technischer Arbeit auf einer Entspannungsstrecke entspannt wird, mit einer regenerativen Zwischenüberhitzung, welche mittels aus der Entspannungsstrecke entnommenen Arbeitsfluids beheizt wird und welche Zwischenüberhitzung Arbeitsfluid überhitzt, welches stromabwärts der beheizenden Entnahme durch eine Einströmung in die Entspannungsstrecke einströmt.
Einschlägige Dampfkraftanlagen werden bereits seit über einhundert Jahren eingesetzt, um entweder andere Maschinen direkt anzutreiben oder elektrische Energie zu erzeugen. Hierzu wird regelmäßig in einem thermodynamischen Kreisprozess ein Arbeitsfluid, meist Wasser, verdichtet und mit diesem hohen Druck einem Dampferzeuger zugeführt, wo das Arbeitsfluid verdampft wird und anschließend überhitzt. Der überhitzte Dampf wird zur Erzeugung technischer Arbeit in Dampfturbinen entspannt und schließlich in einem Kondensator verflüssigt, um das Arbeitsfluid wieder auf den in dem Dampferzeuger herrschenden Druck zu fördern.
Mit einem derart einfachen Layout des Kreisprozesses der Dampfkraftanlage sind nur verhältnismäßig niedrige Wirkungsgrade erzielbar, was insbesondere hinsichtlich moderner Emissionsziele unter Schonung fossiler Ressourcen, inakzeptabel ist. Ein erster Schritt in Richtung besserer Effizienz besteht in der regenerativen Speisewasservorwärmung, bei welcher der Turbine stufenweise teilexpandierter Dampf entnommen wird, der in Vorwärmern nach der Speisefluidpumpe kondensiert und das auf dem hohen Druck befindliche Arbeitsfluid mit der Kondensationswärme aufheizt. Die Vorsehung derartiger Komponenten des Anlagenlayouts wird mit Bezug auf den Carnot-Wirkungsgrad auch als Carnotisierung des Kreisprozesses bezeichnet.
Mit dem gleichen Ziel wird regelmäßig das Arbeitsfluid beispielsweise nach dem Austritt aus einer Hochdruckturbine einer Zwischenüberhitzung in dem Dampferzeuger zugeführt und anschließend in der nachfolgenden Turbine, beispielsweise einer Mitteldruckturbine, fortgesetzt entspannt.
Eine Verbesserung der Carnotisierung dieses Teilprozesses findet sich in der Auslegeschrift DE 1 029 010 beschrieben, wo vorgeschlagen wird, eine Zwischenüberhitzung zwischen einer Mitteldruckturbine und einer Niederdruckturbine mit entnommenem Dampf aus der Abströmung der Hochdruckturbine zu beheizen. Das aus dieser regenerativen Zwischenüberhitzung abgekühlte Arbeitsfluid, welches entweder als Dampf oder als Kondensat ausfällt, wird anschließend zur regenerativen Speisewasservorwärmung vor Eintritt in den Dampferzeuger genutzt.
Ausgehend von dem Stand der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, den Wirkungsgrad bekannter Dampfkraftanlagen zusätzlich zu erhöhen und eine weitere Annäherung an den idealen Carnot-Prozess zu erreichen.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Dampfkraftanlage gemäß Anspruch 1 vor. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein entscheidender Vorteil der Erfindung liegt in der Mehrstufigkeit des regenerativen Zwischenüberhitzers, wodurch der Exergieverlust in Folge der Wärmeübertragung äußerst gering ausfällt. Durch die regenerative Zwischenüberhitzung kann die Temperatur vor dem Niederdruckteil etwa 300°C erreichen und aufgrund der gestiegene Enthalpie ergibt sich an der Niederdruckabströmung statt bisher ein Dampfgehalt von x = 0,9 ein Dampfgehalt von x = 0,99. Dementsprechend verringern sich Strömungsverluste und auch Erosionsschäden an den letzten Turbinenstufen.
Darüber hinaus ergibt sich bei gleicher Leistung aufgrund der Dampfentnahmen ein geringerer Massenstrom des Arbeitsfluids in den Kondensator und auf diese Weise ein nur geringer Kühlungsbedarf.
Der überhitzte Dampf wurde im Stand der Technik regelmäßig unmittelbar zur Speisewasservorwärmung genutzt, wodurch schon aufgrund der hohen Temperaturdifferenz bis zur Siedelinie des Sattdampfes in denen als Kondensationsvorwärmer ausgelegten Speisefluidvorwärmern ein großer Exergieverlust stattfindet. Im Gegensatz dazu schlägt die Erfindung das Zwischenüberhitzen von Dampf, der in der Regel überhitzt sein dürfte, mittels überhitzten Dampfes vor. Dies findet demzufolge in einem Wärmetauscher statt, bei dem sowohl die wärmeabgebende als auch die wärmeaufnehmende Seite für einen Gaswärmeübergang ausgebildet ist.
Die Beheizung der Stufen des regenerativen Wärmetauschers erfolgt mittels Dampfentnahme bzw. Anzapfungen aus der Entspannungsstrecke der Turbine. Die Turbine kann hierbei auch aus mehreren Teilturbinen bestehen, wobei diese Teilturbinen entweder eigene Außen- und Innengehäuse aufweisen oder in gemeinsamen Gehäusen miteinander kombiniert sein können. Dampfentnahmen finden hierbei sowohl in Form von Anzapfungen zwischen zwei Schaufelstufen (In der Folge bedeutet „Anzapfung" eine Dampfentnahme zwischen zwei Schaufelstufen) als auch in Form von Entnahmen zwischen einer Abströmung einer vorgeordneten Teilturbine und einer Einströmung einer nachgeordneten Teilturbine statt.
Charakteristisches Element der Erfindung ist die Mehrstufigkeit der regenerativen Zwischenüberhitzung, wobei mindestens zwei Dampfentnahmen, die auch als Anzapfungen ausgebildet sein können, vorgesehen sind zur Beheizung der Zwischenüberhitzung. Ein besonders guter Kompromiss zwischen baulichem Aufwand und hohem Wirkungsgrad lässt sich erzielen, bei fünf Stufen der Zwischenüberhitzung für eine Anlage mit einem Hochdruckteil, mindestens einem Mitteldruckteil und mindestens einem Niederdruckteil. Hierbei ist zu beachten, dass die Trenndrücke zwischen einer Hochdruckteilturbine, einer Mitteldruckteilturbine und einer Niederdruckteilturbine in Abhängigkeit der konstruktiven Auslegung des thermodynamischen Kreisprozesses um ganze Größenordnungen variieren können und diese aufeinander folgenden Turbinen lediglich durch ihre Abfolge entlang der Entspannungsstrecke des Dampfes gekennzeichnet sind.
Zweckmäßig weist die Dampfkraftanlage mindestens einen Dampferzeuger auf, mittels dessen das Arbeitsfluid verdampft und überhitzt wird. Diese Dampferzeugung kann vorteilhaft mit einer Zwischenüberhitzung, insbesondere für den Dampf aus der Hochdruckteilturbine versehen sein, da aufgrund des hohen Temperaturniveaus dieses Dampfes eine Erhitzung in regenerativer Weise nur in Ausnahmefällen zweckmäßig wäre.
Für eine gute Funktion des geschlossenen Kreislaufs ist es außerdem zweckmäßig, wenn am Ende der Entspannungsstrecke ein Kondensator vorgesehen ist, in welchem das Arbeitsfluid unter Wärmeabgabe kondensiert wird. Dies kann beispielsweise in einem Luftkondensator der Fall sein oder auch mittels einer Fernwärmeanlage. Um das hohe Druckniveau zu Beginn der Entspannungsstrecke zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn die Dampfkraftanlage eine Speisefluidpumpe aufweist, mittels derer im Anschluss an die Kondensation das Arbeitsfluid auf den Druck des Dampferzeugers gefördert wird.
Besonders sinnvoll ist im Sinne einer weiteren Carnotisierung eine Zuführung des zur Beheizung des Zwischenüberhitzers der Entspannungsstrecke entnommenen Arbeitsfluids zu verschiedenen Stufen einer Speisefluidvorwärmung. Vorzugsweise im Anschluss an die Förderung des Speisefluids auf den Dampferzeugerdruck wird dieses so vorgewärmt.
Zu einer guten Wirkungsgradsteigerung bei hinnehmbaren baulichem Aufwand kommt es, wenn mindestens zwei Turbinen in der Entspannungsstrecke vorgesehen sind, zum Beispiel eine kombinierte Hochmitteldruckturbine am Anfang und eine Niederdruckturbine am Ende der Entspannungsstrecke, wobei Arbeitsfluid nach der ersten Teilturbine in dem regenerativen Zwischenüberhitzer einer Zwischenüberhitzung unterzogen wird und anschließend der Niederdruckteilturbine zugeleitet wird.
Maximale Wirkungsgradsteigerungen lassen sich erzielen, wenn mindestens drei Turbinen in der Entspannungsstrecke vorgesehen sind, eine Hochdruckturbine am Anfang der Entspannungsstrecke, eine Mitteldruckturbine folgend und mindestens eine Niederdruckturbine am Ende der Entspannungsstrecke. Zweckmäßig wird das aus der Mitteldruckteilturbine austretende Arbeitsfluid einer Zwischenüberhitzung in dem regenerativen Zwischenüberhitzer unterzogen, bevor es in die Niederdruckteilturbine einströmt.
Die Niederdruckteilturbinen können stets ein- oder mehrflutig ausgebildet sein. Auch ist es möglich, mehrere Niederdruckteilturbinen im Anschluss an die regenerative Zwischenüberhitzung nach der Erfindung vorzusehen.
Besonders vorteilhaft wird der Gesamtstrom des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in die Niederdruckturbine in der regenerativen Zwischenüberhitzung erwärmt. Die Zwischenüberhitzung kann besonders zweckmäßig mittels Arbeitsfluids aus Entnahmen bzw. Anzapfungen der Hochdruckturbine und der Mitteldruckturbine beheizt werden. Hierbei bedeuten Anzapfungen, Dampfentnahmen zwischen Schaufelstufen der jeweiligen Teilturbine und Dampfentnahmen ohne das Attribut der Anzapfung Entnahmen aus der Abströmung der jeweiligen Teilturbine.
Kreislaufberechnungen haben ergeben, dass es zweckmäßig ist, mindestens eine Anzapfung der Hochdruckturbine, eine Entnahme von Arbeitsfluid aus der Hochdruckabströmung und zwei Anzapfungen der Mitteldruckteilturbine zum Beheizen der mehrstufigen regenerativen Zwischenüberhitzung vorzusehen.
Der regenerative Zwischenüberhitzer ist zweckmäßig vertikal ausgebildet, was einerseits einen verhältnismäßig niedrigen Druckverlust des Dampfes zur Folge hat und andererseits horizontalen Bauraum einspart.
Im Folgenden ist ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezugnahme auf eine Zeichnung zur Verdeutlichung der Erfindung näher beschrieben. Neben dem Ausführungsbeispiel ergeben sich für den Fachmann weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt:
1 ein vereinfachtes Kreislaufschema einer Dampfkraftanlage nach der Erfindung.
1 zeigt den Kreislaufprozess einer Dampfkraftanlage 1 nach der Erfindung. Die Dampfkraftanlage 1 verdichtet, erhitzt, entspannt und kühlt zyklisch ein Arbeitsfluid 2, welches zweckmäßig Wasser sein kann. Flüssiges Arbeitsfluid 2 wird zunächst mittels einer Speisefluidpumpe 3 auf ein hohes Druckniveau gefördert. Anschließend wird es in einem regenerativen Speisefluidvorwärmer 4, welcher mehrstufig ausgebildet ist, vorgewärmt, um es anschließend in einem Dampferzeuger 5 mit einem anschließenden Überhitzer 6 auf die in dem Kreislauf maximalen Dampfzustände zu bringen. Über eine Schnellschluss- und Regelventilkombination 7 wird das Fluid in eine Entspannungsstrecke 8 eingeleitet, bestehend aus einer Hochdruckturbine 9, Mitteldruckturbine 10 und einer zweiflutigen Niederdruckturbine 11. Hier wird das auf hohem Druck befindliche Arbeitsfluid unter Abgabe technischer Arbeit WT ein Generator G antreibend entspannt. Die zweiflutige Niederdruckturbine 11 weist eine Niederdruckeinströmung 12 und eine erste Niederdruckabströmung 13 und eine zweite Niederdruckabströmung 14 auf, die mit einem Kondensator 15 in Verbindung stehen, in welchem das Arbeitsfluid 2 kondensiert. Anschließend wird das kondensierte Arbeitsfluid 2 wieder der Speisefluidpumpe 3 zugeführt. Die Hochdruckturbine 9 weist zwischen einer Hochdruckeinströmung 16 und einer Hochdruckabströmung 17 eine Hochdruckanzapfung 19 auf. Die Mitteldruckturbine 10 weist zwischen einer Mitteldruckeinströmung 20 und einer Mitteldruckabströmung 21 eine erste Mitteldruckanzapfung 22, eine zweite Mitteldruckanzapfung 23 und eine dritte Mitteldruckanzapfung 24 auf. Der gesamte Strom des Arbeitsfluids 2 aus der Mitteldruckabströmung 20 wird einer regenerativen Zwischenüberhitzung 30 zugeführt, die als mehrstufiger Wärmetauscher ausgebildet ist. Insgesamt weist die Zwischenüberhitzung 30 fünf Stufen auf, wobei die erste und kälteste Stufe 31 mit der dritten Anzupfung 24 der Mitteldruckturbine, die zweite Stufe 32 mit der zweiten Anzapfung 23 der Mitteldruckturbine 10 und die dritte Stufe 33 mit der ersten Anzapfung 22 der Mitteldruckturbine 10, die vierte Stufe 34 mit einer Dampfentnahme aus der Abströmung 17 der Hochdruckturbine 9 und die fünfte Stufe 35 mit der Hochdruckanzapfung 18 der Hochdruckturbine 9 beheizt wird. Das auf diese Weise zwischenüberhitzte Arbeitsfluid 2 wird der zweistufigen Niederdruckturbine 11 zugeführt.
Die mehrstufige Speisefluidvorwärmung 4 umfasst sieben Kondensationsvorwärmer, wobei der erste Kondensationsvorwärmer 51 mittels Arbeitsfluids 2 aus einer Anzapfung 46 der Niederdruckturbine 11, der zweite Kondensationsvorwärmer 52 mit Arbeitsfluid 2 aus der Mitteldruckabströmung 21, der dritte bis siebte Kondensationsvorwärmer 53–57 mit den Arbeitsfluidströmen stammend aus der Beheizung der regenerativen Zwischenüberhitzung 30 in aufsteigender Temperaturreihenfolge beheizt wird. Das aus der Beheizung jeweils anfallende Kondensat des Arbeitsfluids 2 wird mittels Pumpen 60, 61 in darauf folgende Kondensationsvorwärmer 51–57 gefördert.

1: Dampfkraftanlage
2: Arbeitsfluid
3: Speisefluidpumpe
4: Speisefluidvorwärmer
5: Dampferzeuger
6: Überhitzer
7: Schnellschluss- und Regelventilkombination
8: Entspannungsstrecke
9: Hochdruckturbine
10: Mitteldruckturbine
11: Niederdruckturbine
12: Niederdruckeinströmung
13: erste Niederdruckabströmung
14: zweite Niederdruckabströmung
15: Kondensator
16: Hochdruckeinströmung
17: Hochdruckabströmung
18: Hochdruckanzapfung
20: Mitteldruckeinströmung
21: Mitteldruckabströmung
22: erste Mitteldruckanzapfung
23: zweite Mitteldruckanzapfung
24: dritte Mitteldruckanzapfung
25: Dampfentnahme
30: Zwischenüberhitzung
31: erste kälteste Stufe
32: zweite Stufe
33: dritte Stufe
34: vierte Stufe
35: fünfte wärmstes Stufe
46: Niederdruckanzapfung
51: erster Kondensationsvorwärmer
52: zweiter Kondensationsvorwärmer
53: dritter Kondensationsvorwärmer
54: vierter Kondensationsvorwärmer
55: fünfter Kondensationsvorwämer
56: sechster Kondensationsvorwärmer
57: siebter Kondensationsvorwärmer

Claims

Dampfkraftanlage (1) in welcher ein Arbeitsfluid (2) in einem Kreislauf umläuft, mit mindestens einer Turbine (9, 10, 11), in welcher das Arbeitsfluid (2) unter Abgabe technischer Arbeit (WT) auf einer Entspannungsstrecke (8) entspannt wird, mit einer regenerativen Zwischenüberhitzung (30), welche mittels aus der Entspannungsstrecke (8) entnommenen Arbeitsfluids (2) geheizt wird und welche Zwischenüberhitzung (30) Arbeitsfluid (2) überhitzt, welches stromabwärts der beheizenden Entnahme durch eine Einströmung (Niederdruckeinströmung (12)) in die Entspannungsstrecke (8) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9, 10, 11) mindestens zwei Entnahmen aufweist, mittels welchen Arbeitsfluid (2) aus der Entspannungsstrecke (8) entnommen wird, die regenerative Zwischenüberhitzung (30) als mehrstufiger Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei das zu überhitzende Arbeitsfluid (2) die Zwischenüberhitzung (30) von der kältesten Stufe (41) bis zur wärmsten Stufe (45) durchläuft und jede Stufe (41–45) des Zwischenüberhitzers (30) mittels des Arbeitsfluids (2) aus einer Entnahme beheizt wird.
Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dampferzeuger (5) vorgesehen ist, mittels dessen das Arbeitsfluid (2) verdampft und überhitzt wird.
Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Entspannungsstrecke (8) ein Kondensator (15 vorgesehen ist, in welchem das Arbeitsfluid (2) kondensiert wird.
Dampfkraftanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisefluidpumpe (3) vorgesehen ist, mittels derer im Anschluss an die Kondensation das Arbeitsfluid (2) auf einen höheren Druck gefördert wird.
Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Beheizung des Zwischenüberhitzers (30) der Entspannungsstrecke (8) entnommene Arbeitsfluid (2) verschiedenen Stufen einer Speisefluidvorwärmung (4) zugeführt wird.
Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Turbinen in der Entspannungsstrecke (8) vorgesehen sind, eine kombinierte Hochdruckmitteldruckturbine (9, 10) am Anfang der Entspannungsstrecke (8) und eine Niederdruckturbine (11) am Ende der Entspannungsstrecke (8).
Dampfkraftanlage (1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Turbinen (9, 10, 11) in der Entspannungsstrecke (8) vorgesehen sind, eine Hochdruckturbine am Anfang der Entspannungsstrecke (8), eine Mitteldruckturbine (10) und mindestens eine Niederdruckturbine (11) am Ende der Entspannungsstrecke (8).
Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtstrom des Arbeitsfluids (2) vor dem Eintritt in die Niederdruckturbine (11) in der Zwischenüberhitzung (30) erwärmt wird.
Dampfkraftanlage (1) nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenüberhitzung (30) mit Entnahmen aus der Hochdruckturbine (9) und der Mitteldruckturbine (10) beheizt wird.
Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsfluid (2) aus mindestens einer Entnahme der Hochdruckturbine (9), Arbeitsfluid (2) aus einer Entnahme aus der Hochdruckabströmung (17), Arbeitsfluid (2) aus mindestens zwei Anzapfungen der Mitteldruckturbine (10) zum Beheizen der Zwischenüberhitzung (30) verwendet wird.
Dampfkraftanlage (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenüberhitzung (30) als vertikaler mehrstufiger Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei die kälteste Stufe (41) unten und die wärmste Stufe (45) oben angeordnet ist.