DE102023207700A1

DE102023207700A1 - Steam generating plant and method for operating such a plant

Info

Publication number: DE102023207700A1
Application number: DE102023207700.0A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Friedrich; Mark Reissig; Jochen Schäfer; Lukas Biyikli; Carsten Graeber
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2023-08-10
Filing date: 2023-08-10
Publication date: 2025-02-13
Also published as: WO2025031694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampferzeugungsanlage (1) umfassend zumindest einen Dampferzeuger (2) und einen Verdichter (4) mit mehreren aufeinanderfolgenden Verdichterstufen (10, 11, 12), dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisches Energiespeichersystem (5) vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, dem Verdichter (4) nach mehreren Verdichterstufen (10, 11, 12), insbesondere nach jeder Verdichterstufe (10, 11, 12), Dampf auf mehreren verschiedenen Druckniveaus wahlweise zu entnehmen, entnommenen Dampf auf mehreren verschiedenen Druckniveaus zu speichern und gespeicherten Dampf dem Verdichter (4) auf geeignetem Druckniveau vor und/oder nach mehreren Verdichterstufen (10, 11, 12) wahlweise zuzuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dampferzeugungsanlage (1).

The invention relates to a steam generation system (1) comprising at least one steam generator (2) and a compressor (4) with several consecutive compressor stages (10, 11, 12), characterized in that a thermal energy storage system (5) is provided which is designed to selectively remove steam from the compressor (4) after several compressor stages (10, 11, 12), in particular after each compressor stage (10, 11, 12), to store removed steam at several different pressure levels and to selectively supply stored steam to the compressor (4) at a suitable pressure level before and/or after several compressor stages (10, 11, 12). The invention further relates to a method for operating such a steam generation system (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampferzeugungsanlage umfassend zumindest einen Dampferzeuger und einen Verdichter mit mehreren aufeinanderfolgenden Verdichterstufen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dampfanlage.The present invention relates to a steam generation system comprising at least one steam generator and a compressor with several consecutive compressor stages. Furthermore, the present invention relates to a method for operating such a steam system.

Diverse industrielle Prozesse erfordern Prozessdampf auf unterschiedlichen Druckniveaus. Beispiele derartiger Industrien sind die Papier-, Lebensmittel- und chemische Industrie oder Öl- und Gasraffinerien.Various industrial processes require process steam at different pressure levels. Examples of such industries are the paper, food and chemical industries or oil and gas refineries.

Für die Erzeugung von Prozessdampf auf mittlerem und hohem Druckniveau werden Dampferzeugungsanlagen der eingangs genannten Art eingesetzt, in denen der im Dampferzeuger erzeugte Dampf im Verdichter auf die gewünschten Druckniveaus verdichtet wird. Verdichter solcher Dampferzeugungsanlagen werden neuerdings mehrstufig ausgeführt oder angeordnet, wobei der Dampf möglichst passgenau, d.h. bei den aus Prozesssicht erforderlichen Drücken, hinter den einzelnen Verdichterstufen entnommen wird. Die Massenstromanforderungen der einzelnen Verdichterstufen können sich unterscheiden und unabhängig voneinander schwanken. Hieraus resultieren unterschiedliche und unabhängig voneinander fluktuierende Massenstromanforderungen pro Verdichterstufe. Vor diesem Hintergrund kann es in einer einzelnen oder in mehreren Verdichterstufen zu einer Unterschreitung oder Überschreitung des zulässigen Massenstroms kommen, was es zu vermeiden gilt. Bei zu kleinen Massenströmen und zu hohen Druckverhältnissen kann sich bei Erreichen der so genannten Pumpgrenze die Strömung von den Verdichterschaufeln ablösen, wodurch der Fördervorgang unterbrochen wird. Bei zu großen Massenströmen und zu geringen Druckverhältnissen wird die so genannte Schluckgrenze erreicht, die den maximal möglichen Durchsatz der Verdichterstufe definiert. Ein Unter- bzw. Überschreiten der Pump- bzw. Schluckgrenze führt zu einem Abschalten des Verdichters, wodurch die den Dampf benötigenden Prozesse nicht mehr bedient werden können.Steam generation systems of the type mentioned above are used to generate process steam at medium and high pressure levels. In these systems, the steam generated in the steam generator is compressed in the compressor to the desired pressure levels. Compressors in such steam generation systems are now being designed or arranged in multiple stages, with the steam being extracted behind the individual compressor stages as precisely as possible, i.e. at the pressures required from a process perspective. The mass flow requirements of the individual compressor stages can differ and fluctuate independently of one another. This results in different and independently fluctuating mass flow requirements per compressor stage. Against this background, the permissible mass flow can be undershot or exceeded in one or more compressor stages, which must be avoided. If the mass flows are too small and the pressure ratios are too high, the flow can detach from the compressor blades when the so-called surge limit is reached, which interrupts the conveying process. If the mass flow is too high and the pressure ratio is too low, the so-called suction limit is reached, which defines the maximum possible throughput of the compressor stage. If the pumping or suction limit is exceeded, the compressor is switched off, meaning that the processes that require the steam can no longer be served.

Bislang wurde bei Unterschreiten der Lastanforderung Dampf abgeblasen oder mittels eines Kondensators entzogen. Es wäre allerdings wünschenswert, ein solches Verwerfen des Dampfes zu vermeiden, da es laut und energetisch nachteilig ist. Auch gilt es Wasser einzusparen. Zur Vermeidung einer Unterschreitung der Pumpgrenze kann der Dampf um den Verdichter rezirkuliert werden. Dies ist allerdings nicht energieeffizient.Up to now, steam has been blown off or removed using a condenser when the load requirement is not met. However, it would be desirable to avoid this type of steam being discarded, as it is noisy and has a negative impact on energy consumption. Water must also be saved. To avoid falling below the surge limit, the steam can be recirculated around the compressor. However, this is not energy efficient.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampferzeugungsanlage der eingangs genannten Art mit verbessertem Aufbau sowie ein effizienteres Verfahren zum Betreiben einer solchen Dampferzeugungsanlage zu schaffen.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a steam generating plant of the type mentioned at the outset with an improved structure and a more efficient method for operating such a steam generating plant.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Dampferzeugungsanlage der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein thermisches Energiespeichersystem vorgesehen ist, das dazu ausgelegt ist, dem Verdichter nach mehreren Verdichterstufen, insbesondere nach jeder Verdichterstufe, Dampf auf mehreren verschiedenen Druckniveaus wahlweise zu entnehmen, entnommenen Dampf auf mehreren verschiedenen Druckniveaus zu speichern und gespeicherten Dampf dem Verdichter auf geeignetem Druckniveau vor und/oder nach mehreren Verdichterstufen wahlweise zuzuführen. Die Speicherung von Dampf im thermischen Energiespeicher kann im dampfförmigen und/oder im flüssigen Zustand erfolgen. Wenn also nachfolgend von „Speicherung von Dampf“ die Rede ist, ist hiermit nicht der Aggregatzustand gemeint, außer es wird explizit darauf hingewiesen. Ferner kann der thermische Energiespeicher auch dazu ausgelegt sein, dass ihm Wasser oder Dampf aus einer gesonderten Quelle zugeführt und entnommen werden kann, um beispielsweise den Energiespeicher aufzufüllen oder überschüssiges Wasser oder überschüssigen Dampf zu entnehmen und ggf. anderweitig einzusetzen.To solve this problem, the present invention creates a steam generation system of the type mentioned at the outset, which is characterized in that a thermal energy storage system is provided which is designed to optionally remove steam from the compressor at several different pressure levels after several compressor stages, in particular after each compressor stage, to store removed steam at several different pressure levels and to optionally supply stored steam to the compressor at a suitable pressure level before and/or after several compressor stages. Steam can be stored in the thermal energy storage device in the vaporous and/or liquid state. Therefore, when "storage of steam" is mentioned below, this does not mean the state of aggregation, unless explicitly stated otherwise. Furthermore, the thermal energy storage device can also be designed so that water or steam can be supplied to and removed from a separate source, for example to fill up the energy storage device or to remove excess water or excess steam and use it elsewhere if necessary.

Dank des erfindungsgemäßen thermischen Energiespeichersystems ist es möglich, den Massenstrom durch jede einzelne Verdichterstufe bedarfsgerecht optimiert einzustellen bzw. zu regeln, also die richtigen Massenströme beim richtigen Druck entsprechend der Anforderungen der den einzelnen Verdichterstufen zugeordneten Verbraucher unter Einbeziehung des Energiespeichersystems zur Verfügung zu stellen, wenn der von dem Dampferzeuger oder von der vorhergehenden Verdichterstufe kommende Massenstrom unzureichend ist, und überschüssigen Dampf abzuführen und im thermischen Energiespeichersystem zu speichern, wenn der von dem Dampferzeuger oder von der vorhergehenden Verdichterstufe kommende Massenstrom zu groß ist. Auf diese Weise kann jede Verdichterstufe in ihrem Betriebsbereich gehalten werden, ohne dass ein Abschalten oder eine Rezirkulation von Dampf erforderlich ist. Weiterhin kann die Dampfmenge so angepasst werden, dass der Massenstrom in ein Optimum überführt wird, um den Wirkungsgrad der Dampferzeugungsanlage zu erhöhen. Dies ist möglich, da der Wirkungsgrad einer Verdichterstufe vom Massenstrom und dem Differenzdruck der Verdichterstufe abhängt. Die Einstellung bzw. Regelung des Massenstroms durch die einzelnen Verdichterstufen erfolgt naturgemäß unter Einsatz einer geeignet ausgebildeten Auswerte- und Steuereinheit sowie geeigneter Sensoren, die insbesondere die Massenströme in den Leitungen, insbesondere in den Leitungen zu den Verbrauchern erfassen, und Regelorganen, wie Ventile, Klappen und dergleichen.Thanks to the thermal energy storage system according to the invention, it is possible to adjust or regulate the mass flow through each individual compressor stage in an optimized manner as required, i.e. to provide the correct mass flows at the correct pressure according to the requirements of the consumers assigned to the individual compressor stages, including the energy storage system, if the mass flow coming from the steam generator or from the previous compressor stage is insufficient, and to remove excess steam and store it in the thermal energy storage system if the mass flow coming from the steam generator or from the previous compressor stage is too large. In this way, each compressor stage can be kept in its operating range without the need to switch off or recirculate steam. Furthermore, the amount of steam can be adjusted so that the mass flow is converted to an optimum in order to increase the efficiency of the steam generation system. This is possible because the efficiency of a compressor stage depends on the mass flow and the differential pressure of the compressor stage. The adjustment or control of the mass flow through the individual compressor stages is naturally carried out using a suitably designed evaluation and control unit as well as suitable sensors, which in particular which measure the mass flows in the pipes, especially in the pipes to the consumers, and control devices such as valves, flaps and the like.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das thermisches Energiespeichersystem dazu ausgelegt, dem Verdichter nach der letzten Verdichterstufe wahlweise gespeicherten Dampf auf geeignetem Druckniveau zuzuführen. Auf diese Weise kann am Verdichterausgang ausreichend Dampf zur Verfügung gestellt werden, wenn der vorgelagerte Dampferzeuger zu wenig Dampf erzeugt, beispielsweise während der Anfahrphase der Dampferzeugungsanlage.According to one embodiment of the present invention, the thermal energy storage system is designed to selectively supply stored steam at a suitable pressure level to the compressor after the last compressor stage. In this way, sufficient steam can be made available at the compressor outlet if the upstream steam generator generates too little steam, for example during the start-up phase of the steam generation system.

Das thermische Energiespeichersystem kann erfindungsgemäße einen Ruths-Speicher aufweisen. Ein solcher Ruths-Speicher ermöglicht die direkte Dampfeinspeisung ohne die Notwendigkeit eines Zwischenkreislaufs und damit verbundenen Wärmetauschern und zusätzlichen Pumpen, wodurch ein insgesamt preiswerter Aufbau erzielt wird.According to the invention, the thermal energy storage system can have a Ruths storage system. Such a Ruths storage system enables direct steam feed without the need for an intermediate circuit and associated heat exchangers and additional pumps, thereby achieving an overall inexpensive structure.

Alternativ oder zusätzlich kann das thermische Energiespeichersystem zumindest einen Speisewasserbehälter mit thermischer Entgasung aufweisen. Ein solcher Speisewasserbehälter benötigt Dampf, um die Entgasung aus dem Speisewasser zu gewährleisten. Diese Dampfzufuhr führt zu einer Erwärmung des Speisewassers, das normalerweise als siedende Flüssigkeit vorliegt. Ein Speisewasserbehälter ist auch für einen gewissen Betriebsbereich ausgelegt, der eine Flexibilität in Bezug auf Füllmenge und Druck/Temperatur ermöglicht. Falls die Verdichterstufe die Schluckgrenze überschreiten sollte, könnte durch Reduzierung bzw. Abschaltung der Dampfzufuhr zum Speisewasserbehälter die Dampfmenge reduziert werden, was die entsprechende Verdichterstufe wieder in ihren Betriebsbereich bringt. Bei zu geringer Dampfmenge über die Verdichterstufe kann ein höherer Dampfstrom in den Speisewasserbehälter die Verdichterstufe stabilisieren. Insgesamt sinkt hierdurch der apparative und damit der materielle und energetische Herstellungsaufwand. Zusätzlich sinkt der Raumbedarf, wodurch die Realisierungschancen steigen, ein erfindungsgemäßes thermisches Energiespeichersystem in beengten Bestandsanlagen nachzurüsten.Alternatively or additionally, the thermal energy storage system can have at least one feedwater tank with thermal degassing. Such a feedwater tank requires steam to ensure degassing from the feedwater. This steam supply leads to heating of the feedwater, which is normally present as a boiling liquid. A feedwater tank is also designed for a certain operating range, which allows flexibility in terms of filling quantity and pressure/temperature. If the compressor stage exceeds the absorption limit, the amount of steam could be reduced by reducing or switching off the steam supply to the feedwater tank, which brings the corresponding compressor stage back into its operating range. If the amount of steam via the compressor stage is too low, a higher steam flow into the feedwater tank can stabilize the compressor stage. Overall, this reduces the equipment and thus the material and energy manufacturing costs. In addition, the space requirement is reduced, which increases the chances of retrofitting a thermal energy storage system according to the invention in cramped existing systems.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das thermische Energiespeichersystem alternativ oder zusätzlich einen Kondensatbehälter aufweisen. Ein Kondensatbehälter kann über das Heizen des Kondensats die Dampfmenge über die Verdichterstufe erhöhen, ohne dass der Dampf abgeblasen werden muss. Dadurch kann der Wasserverlust der Anlage reduziert werden.According to a further embodiment of the present invention, the thermal energy storage system can alternatively or additionally have a condensate tank. A condensate tank can increase the amount of steam via the compressor stage by heating the condensate without the steam having to be blown off. This can reduce the water loss of the system.

Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem einen Großwasserkessel aufweisen. Wie auch im Speisewasserbehälter kann die Wasservorlage im Großwasserkessel als Speicher verwendet werden, hier besonders zur Vorwärmung im Warmhaltebetrieb, die je nach Betriebszustand der Verdichterstufe zu- oder abgeschaltet werden kann.Alternatively or additionally, the thermal energy storage system according to the invention can have a large water boiler. As in the feed water tank, the water reservoir in the large water boiler can be used as a storage tank, here in particular for preheating in the warm-keeping mode, which can be switched on or off depending on the operating state of the compressor stage.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das thermische Energiespeichersystem zumindest eine Heizquelle auf, die dazu ausgelegt ist, gespeicherten Dampf zu erhitzen. Mit einer solchen Heizquelle ist es möglich, im Energiespeichersystem gespeicherten Dampf auf gewünschte Temperatur-/Druckniveaus zu bringen. Bei der zumindest einen Wärmequelle handelt es sich bevorzugt um eine elektrisch betriebene Wärmequelle, wie beispielsweise um einen Elektrodenkessel oder einen Heizstab, wodurch eine aus Sicht des Wärmeerzeugers aufwandsoptimale Nutzung des Dargebots von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien gelingen kann. Die dadurch mögliche Ausrichtung des Strombezugs einzelner Abnehmer am Dargebot von Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energien erleichtert dessen Integration in Stromnetze. So kann die zumindest eine Heizquelle dazu genutzt werden, um beim Start des Verdichters direkt eine Dampfquelle über das thermische Energiespeichersystem bereitzustellen, falls beispielsweise der Dampferzeuger noch nicht vollständig angefahren ist. Weiterhin kann bei erhöhter Dampfmengenanforderung die zusätzliche Heizquelle zum Auffüllen des benötigten Dampfes oder zum Füllen des thermischen Energiespeichersystems genutzt werden.According to one embodiment of the present invention, the thermal energy storage system has at least one heat source that is designed to heat stored steam. With such a heat source, it is possible to bring steam stored in the energy storage system to the desired temperature/pressure levels. The at least one heat source is preferably an electrically operated heat source, such as an electrode boiler or a heating rod, which enables the heat generator to use the supply of electricity from fluctuating renewable energies in a way that is as cost-effective as possible. The fact that this enables individual consumers to align their electricity consumption with the supply of electricity from fluctuating renewable energies makes it easier to integrate them into power grids. The at least one heat source can thus be used to provide a steam source directly via the thermal energy storage system when the compressor starts up, for example if the steam generator has not yet fully started up. Furthermore, if there is an increased demand for steam, the additional heat source can be used to fill up the required steam or to fill the thermal energy storage system.

Vorteilhaft ist der zumindest eine Dampferzeuger eine Hochtemperaturwärmepumpe, die beispielsweise über Abwärme eines oder mehrerer Prozesse, die über die Dampferzeugungsanlage mit Dampf versorgt werden, und/oder über Abwärme eines Fremdprozesses betrieben wird. Es sei aber darauf hingewiesen, dass neben einer solchen Hochtemperaturwärmepumpe auch weitere Dampferzeuger eingesetzt werden können, die gemeinsam mit oder alternativ zur Hochtemperaturwärmepumpe eingesetzt werden können. Hochtemperaturwärmepumpen haben gegenüber herkömmlichen Dampferzeugern den Vorteil, dass sie durch die Nutzung von vorhandener Abwärme und Strom aus erneuerbaren Energien ggf. vollständig CO₂-neutral betrieben werden können.Advantageously, the at least one steam generator is a high-temperature heat pump, which is operated, for example, using waste heat from one or more processes that are supplied with steam via the steam generation system and/or using waste heat from an external process. It should be noted, however, that in addition to such a high-temperature heat pump, other steam generators can also be used, which can be used together with or as an alternative to the high-temperature heat pump. High-temperature heat pumps have the advantage over conventional steam generators that they can be operated completely _CO2 -neutrally by using existing waste heat and electricity from renewable energies.

Vorteilhaft ist das thermische Energiespeichersystem dazu ausgelegt, dem Verdampfer der Hochtemperaturwärmepumpe gespeicherten Dampf auf geeignetem Druckniveau zuzuführen. Entsprechend kann im thermischen Energiespeichersystem gespeicherte Dampf beispielsweise zum Anfahren der Wärmepumpe eingesetzt werden, wenn der Prozess als Wärmequelle noch nicht bereitsteht.The thermal energy storage system is advantageously designed to supply the evaporator of the high-temperature heat pump with stored steam at a suitable pressure level. Accordingly, steam stored in the thermal energy storage system can be used, for example, to start up the heat pump when the process is not yet ready as a heat source.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Dampferzeugungsanlage, insbesondere einer erfindungsgemäßen Dampferzeugungsanlage, umfassend zumindest einen Dampferzeuger und einen Verdichter mit mehreren aufeinanderfolgenden Verdichterstufen, bei dem die Betriebszustände der einzelnen Verdichterstufen überwacht werden, wobei, wenn sich eine Verdichterstufe an ihre individuelle Pumpgrenze annähert, unmittelbar hinter dieser Verdichterstufe ein Dampfmassenstrom bis zur Erreichung eines ordnungsgemäßen Betriebszustands entzogen und der entzogene Dampf in einem thermischen Energiespeichersystem gespeichert wird, und, wenn sich eine Verdichterstufe an ihre individuelle Schluckgrenze annähert, unmittelbar hinter dieser Verdichterstufe aus dem thermischen Energiespeichersystem ein Dampfmassenstrom geeigneten Druckniveaus bis zur Erreichung eines ordnungsgemäßen Betriebszustands zugeführt wird.To achieve the object mentioned at the outset, the present invention further provides a method for operating a steam generation system, in particular a steam generation system according to the invention, comprising at least one steam generator and a compressor with several consecutive compressor stages, in which the operating states of the individual compressor stages are monitored, wherein, when a compressor stage approaches its individual surge limit, a steam mass flow is extracted immediately behind this compressor stage until a proper operating state is reached and the extracted steam is stored in a thermal energy storage system, and, when a compressor stage approaches its individual absorption limit, a steam mass flow of suitable pressure level is supplied from the thermal energy storage system immediately behind this compressor stage until a proper operating state is reached.

Bevorzugt wird aus dem thermischen Energiespeichersystem wahlweise ein Dampfmassenstrom geeigneten Druckniveaus nach der letzten Verdichterstufe zugeführt, insbesondere dann, wenn der vorgelagerte Dampferzeuger zu wenig Dampf erzeugt, beispielsweise während der Anfahrphase der Dampferzeugungsanlage.Preferably, a steam mass flow of suitable pressure level is optionally supplied from the thermal energy storage system after the last compressor stage, in particular when the upstream steam generator generates too little steam, for example during the start-up phase of the steam generation plant.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird im thermischen Energiespeichersystem gespeicherter Dampf über zumindest eine Heizquelle wahlweise erhitzt.According to one embodiment of the present invention, steam stored in the thermal energy storage system is selectively heated via at least one heat source.

Vorteilhaft ist der zumindest eine Dampferzeuger eine Hochtemperaturwärmepumpe, deren Verdampfer insbesondere wahlweise über im thermischen Energiespeichersystem gespeicherten Dampf betrieben wird.Advantageously, the at least one steam generator is a high-temperature heat pump, the evaporator of which is in particular optionally operated via steam stored in the thermal energy storage system.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine schematische Ansicht einer Dampferzeugungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2 eine schematische Ansicht einer Dampferzeugungsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

1 a schematic view of a steam generation plant according to an embodiment of the present invention and
2 a schematic view of a steam generating plant according to another embodiment of the present invention.

Gleiche Bezugsziffern bezeichnen nachfolgend gleiche oder gleichartige Komponenten.The same reference numbers refer to the same or similar components below.

1 zeigt eine Dampferzeugungsanlage 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als Hauptkomponenten zumindest einen Dampferzeuger 2, einen an den Dampferzeuger 2 über eine Leitung 3 angebundenen Verdichter 4, ein thermisches Energiespeichersystem 5 und eine Auswerte- und Steuereinheit 6 umfasst. Der Verdichter 4 weist mehrere aufeinanderfolgende, mit Leitungen 7, 8 und 9 verbundene Verdichterstufen 10, 11 und 12 auf, die den vom Dampferzeuger 2 erzeugten Dampf auf unterschiedliche Druckniveaus verdichten. Bei dem dargestellten Beispiel wird der im Dampferzeuger 2 erzeugte Dampf mit einem Druck von 1,6 bar dem Verdichter 4 und somit der ersten Verdichterstufe 10 zugeführt, von wo er dann in den einzelnen Verdichterstufen 10, 11 und 12 auf Drücke von 2,8 bar, 5,0 bar und 9,0 bar weiter verdichtet wird. Es sollte klar sein, dass die Anzahl der Verdichterstufen und die jeweiligen Drücke grundsätzlich variieren können. Von den Leitungen 3, 7 und 9, also zwischen dem Dampferzeuger 2 und dem Verdichter 4 sowie zwischen den jeweiligen Verdichterstufen 10, 11 und 12, und von der aus der letzten Verdichterstufe 12 kommenden Leitung 13 zweigen Leitungen 14, 15, 16 und 17 ab, über die der Dampf mit dem entsprechenden Druckniveau verschiedenen Verbrauchern 18, 19, 20 und 21 zugeführt wird. Von den Leitungen 7 und 9 zwischen den Verdichterstufen 10, 11 und 12 und von der aus der letzten Verdichterstufe 12 führenden Leitung 13 zweigen weitere Leitungen 22, 23 und 24 ab, die zum thermischen Energiespeicher 5 führen. Der thermische Energiespeicher 5 ist dazu ausgelegt, Dampf auf verschiedenen Druckniveaus zu speichern. Alternativ können zu diesem Zweck, wenn vorliegend auch nicht dargestellt, mehrere thermische Energiespeicher vorgesehen sein. Weitere Leitungen 25, 26 und 27 führen von dem thermischen Energiespeicher 5 zurück zu den Leitungen 3 und 7, optional eine weitere, vorliegend gestrichelt dargestellte Leitung 28 zur Leitung 13. Die Leitungen 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28 sind jeweils mit Regelorganen 29 versehen, die vorliegend motorisch über die Auswerte- und Steuereinheit 6 ansteuerbar sind. Ferner sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel sämtliche Leitungen 7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28 mit Sensoren 30 versehen, welche die durch die Leitungen 7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28 geleiteten Dampfmassenströme erfassen und die erfassten Messwerte an die Auswerte- und Steuereinheit 6 übermitteln. Es sollte klar sein, dass neben den eingezeichneten Regelorganen 29 weitere Regelorgane vorgesehen sein können und/oder einige der Sensoren 30 weggelassen werden können, da sich die Massenströme grundsätzlich auch auf der Basis der Messwerte von weniger Sensoren berechnen lassen. Das thermische Energiespeichersystem 5 kann zumindest einen Ruths-Speicher und/oder zumindest einen Speisewasserbehälter mit thermischer Entgasung und/oder zumindest einen Kondensatbehälter und/oder zumindest einen Großwasserkessel aufweisen. Die jeweiligen Vorteile wurden eingangs bereits erläutert, weshalb an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut auf diese eingegangen wird. Das thermische Energiespeichersystem 5 kann über eine oder mehrere zusätzliche Heizquellen 31 verfügen, um in diesem gespeicherten Dampf zu erhitzen, beispielsweise elektrische Heizquellen. 1 shows a steam generation system 1 according to an embodiment of the present invention, which comprises as main components at least one steam generator 2, a compressor 4 connected to the steam generator 2 via a line 3, a thermal energy storage system 5 and an evaluation and control unit 6. The compressor 4 has several consecutive compressor stages 10, 11 and 12 connected to lines 7, 8 and 9, which compress the steam generated by the steam generator 2 to different pressure levels. In the example shown, the steam generated in the steam generator 2 is fed to the compressor 4 and thus to the first compressor stage 10 at a pressure of 1.6 bar, from where it is then further compressed in the individual compressor stages 10, 11 and 12 to pressures of 2.8 bar, 5.0 bar and 9.0 bar. It should be clear that the number of compressor stages and the respective pressures can fundamentally vary. Lines 14, 15, 16 and 17 branch off from lines 3, 7 and 9, i.e. between the steam generator 2 and the compressor 4 and between the respective compressor stages 10, 11 and 12, and from line 13 coming from the last compressor stage 12, via which the steam at the corresponding pressure level is supplied to various consumers 18, 19, 20 and 21. Further lines 22, 23 and 24 branch off from lines 7 and 9 between the compressor stages 10, 11 and 12 and from line 13 leading from the last compressor stage 12, which lead to the thermal energy storage device 5. The thermal energy storage device 5 is designed to store steam at different pressure levels. Alternatively, several thermal energy stores can be provided for this purpose, although not shown here. Additional lines 25, 26 and 27 lead from the thermal energy store 5 back to lines 3 and 7, optionally a further line 28, shown here in dashed lines, to line 13. The lines 22, 23, 24, 25, 26, 27 and 28 are each provided with control elements 29, which in this case can be controlled by a motor via the evaluation and control unit 6. Furthermore, in the present embodiment, all lines 7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 22, 23, 24, 25, 26, 27 and 28 are provided with sensors 30 which record the steam mass flows conducted through the lines 7, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 22, 23, 24, 25, 26, 27 and 28 and transmit the recorded measured values to the evaluation and control unit 6. It should be clear that in addition to the control elements 29 shown, further control elements can be provided and/or some of the sensors 30 can be omitted, since the mass flows can in principle also be calculated on the basis of the measured values from fewer sensors. The thermal energy storage system 5 can have at least one Ruths storage tank and/or at least one feed water tank with thermal thermal degassing and/or at least one condensate tank and/or at least one large water boiler. The respective advantages have already been explained at the beginning, which is why they will not be discussed again here to avoid repetition. The thermal energy storage system 5 can have one or more additional heating sources 31 in order to heat steam stored therein, for example electrical heating sources.

Während des Betriebs der Dampferzeugungsanlage 1 kreieren die Verbraucher 18, 19, 20 und 21 einen variierenden Bedarf an Dampfmassenströmen auf den unterschiedlichen Druckniveaus, der über den vom Dampferzeuger 2 erzeugten Dampf zu decken ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 6 bilanziert dabei die Massenströme jeder einzelnen Verdichterstufe 10, 11 und 12 anhand der von den Sensoren 30 zur Verfügung gestellten Messwerte und vergleicht diese mit entsprechenden, in der Auswerte- und Steuereinheit 6 hinterlegten Betriebsbereichen der Verdichterstufen 10, 11 und 12. Wird ein Überschreiten von vorab definierten Grenzwerten in Richtung Pump- oder Schluckgrenze der jeweiligen Verdichterstufe 10, 11, 12 festgestellt, so werden Gegenmaßnahmen dahingehend getroffen, dass Dampf über eine oder mehrere der Leitungen 22, 23, 24 abgelassen und im thermischen Energiespeicher 5 gespeichert wird oder Dampf aus dem thermischen Energiespeicher 5 über eine oder mehrere der Leitungen 25, 26, 27 zugeführt wird. Nähert sich eine Verdichterstufe 10, 11, 12 an ihre individuelle Pumpgrenze an, so wird vorliegend unmittelbar hinter dieser Verdichterstufe 10, 11, 12 ein Dampfmassenstrom bis zur Erreichung eines ordnungsgemäßen Betriebszustands entzogen und der entzogene Dampf im thermischen Energiespeicher 5 gespeichert. Nähert sich eine Verdichterstufe 10, 11, 12 an ihre individuelle Schluckgrenze an, so wird unmittelbar nach dieser Verdichterstufe 10, 11, 12 aus dem thermischen Energiespeicher 5 ein Dampfmassenstrom geeigneten Druckniveaus bis zur Erreichung eines ordnungsgemäßen Betriebszustands zugeführt. Auf diese Weise kann ein Abschalten der entsprechenden Verdichterstufe 10, 11, 12 sicher verhindert werden. Bevorzugt werden die jeweiligen Massenströme auf einem optimalen Niveau gehalten, das den Wirkungsgrad der Dampferzeugungsanlage 1 optimiert.During operation of the steam generation plant 1, the consumers 18, 19, 20 and 21 create a varying demand for steam mass flows at the different pressure levels, which is to be covered by the steam generated by the steam generator 2. The evaluation and control unit 6 balances the mass flows of each individual compressor stage 10, 11 and 12 based on the measured values provided by the sensors 30 and compares these with corresponding operating ranges of the compressor stages 10, 11 and 12 stored in the evaluation and control unit 6. If it is determined that predefined limit values in the direction of the pumping or swallowing limit of the respective compressor stage 10, 11, 12 are exceeded, countermeasures are taken by releasing steam via one or more of the lines 22, 23, 24 and storing it in the thermal energy storage unit 5 or by supplying steam from the thermal energy storage unit 5 via one or more of the lines 25, 26, 27. If a compressor stage 10, 11, 12 approaches its individual surge limit, a steam mass flow is extracted immediately behind this compressor stage 10, 11, 12 until a proper operating state is reached and the extracted steam is stored in the thermal energy storage device 5. If a compressor stage 10, 11, 12 approaches its individual surge limit, a steam mass flow of a suitable pressure level is supplied from the thermal energy storage device 5 immediately behind this compressor stage 10, 11, 12 until a proper operating state is reached. In this way, switching off the corresponding compressor stage 10, 11, 12 can be reliably prevented. The respective mass flows are preferably kept at an optimal level that optimizes the efficiency of the steam generation system 1.

Beim Anfahren der Dampferzeugungsanlage 1 kann, solange der Dampferzeuger 2 nicht genug Dampf erzeugt, ebenfalls Dampf aus dem thermischen Energiespeicher 5 entnommen werden, wodurch die Anfahrzeit minimiert wird. Wird temporär mehr Dampf von den Verbrauchern 18, 19, 20 und 21 benötigt, als der Dampferzeuger 2 erzeugen kann, so kann dieser zusätzliche Massenstrom ebenfalls über den thermischen Energiespeicher 5 bereitgestellt werden. Ebenso ist eine Steuerung möglich, die auf den Strom-, Brennstoff- und/oder CO₂-Preis reagiert. Beispielsweise kann bei günstigen oder gar negativen Strompreisen, insbesondere bei einem hohen Dargebot von Strom aus erneuerbaren Energien, mehr Dampf als von den Verbrauchern 18, 19, 20 und 21 benötigt im Dampferzeuger 2 erzeugt und der überschüssige Dampf dann im thermischen Energiespeicher 5 gespeichert werden. In Zeiten hoher Strompreise kann der Dampf dann aus dem thermischen Energiespeicher 5 bereitgestellt werden. Natürlich ist auch möglich, mehrere unterschiedliche Dampferzeuger 2 bereitzustellen, beispielsweise einen Dampfkessel- und oder einen KWK- und/oder einen Solarthermie- und/oder einen Geothermie-Dampferzeuger, wodurch auch in Zeiten hoher Energiepreise eine zuverlässige und preiswerte Dampferzeugung ermöglicht wird. Auch kann die Dampferzeugungsanlage 1 zusätzliche elektrische oder thermo-mechanische Energiespeicher mit oder ohne Rückverstromung aufweisen.When starting up the steam generation system 1, as long as the steam generator 2 does not generate enough steam, steam can also be taken from the thermal energy storage device 5, thereby minimizing the start-up time. If more steam is temporarily required by the consumers 18, 19, 20 and 21 than the steam generator 2 can generate, this additional mass flow can also be provided via the thermal energy storage device 5. A control system that reacts to the price of electricity, fuel and/or _CO2 is also possible. For example, when electricity prices are low or even negative, particularly when there is a high supply of electricity from renewable energies, more steam than is required by the consumers 18, 19, 20 and 21 can be generated in the steam generator 2 and the excess steam can then be stored in the thermal energy storage device 5. In times of high electricity prices, the steam can then be provided from the thermal energy storage device 5. Of course, it is also possible to provide several different steam generators 2, for example a steam boiler and/or a cogeneration and/or a solar thermal and/or a geothermal steam generator, which enables reliable and inexpensive steam generation even in times of high energy prices. The steam generation system 1 can also have additional electrical or thermo-mechanical energy storage devices with or without reconversion to electricity.

2 zeigt eine Dampferzeugungsanlage 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau und Funktionsweise in weiten Teilen der in 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Dampferzeugungsanlage 1 gleicht. Bei der in 2 dargestellten Dampferzeugungsanlage 1 wird der Dampferzeuger 2 aber durch eine Hochtemperaturwärmepumpe gebildet, die in bekannter Weise einen Verdampfer 32, einen Verdichter 33, einen Kondensator 34 und eine Drossel 35 aufweist. Der Verdampfer 32 wird vorliegend über eine Leitung 36 mit Prozessabwärme und/oder über eine an den thermischen Energiespeicher 5 angeschlossene Leitung 37 mit der zur Verdampfung des Kältemittels erforderlichen Energie versorgt. Das über eine Leitung zugeführte Speisewasser wird im Kondensator 34 verdampft und dem Verdichter 4 zugeführt. 2 shows a steam generating plant 1 according to a further embodiment of the present invention, the structure and functioning of which largely correspond to that described in 1 The steam generating plant 1 shown in 2 In the steam generation plant 1 shown, however, the steam generator 2 is formed by a high-temperature heat pump which, in a known manner, has an evaporator 32, a compressor 33, a condenser 34 and a throttle 35. The evaporator 32 is supplied with process waste heat via a line 36 and/or with the energy required to evaporate the coolant via a line 37 connected to the thermal energy storage device 5. The feed water supplied via a line is evaporated in the condenser 34 and fed to the compressor 4.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited to the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.Regardless of the grammatical gender of a particular term, persons with male, female or other gender identity are included.

Claims

Steam generating plant (1) comprising at least one steam generator (2) and a compressor (4) with several successive compressor stages (10, 11, 12), characterized net that a thermal energy storage system (5) is provided which is designed to selectively remove steam from the compressor (4) after several compressor stages (10, 11, 12), in particular after each compressor stage (10, 11, 12), to store removed steam at several different pressure levels and to selectively supply stored steam to the compressor (4) at a suitable pressure level before and/or after several compressor stages (10, 11, 12).

Steam generating plant (1) according to claim 1 , characterized in that the thermal energy storage system (5) is designed to selectively supply the compressor (4) after the last compressor stage (12) with stored steam at a suitable pressure level.

Steam generating plant (1) according to claim 1 or 2 , characterized in that the thermal energy storage system (5) has at least one Ruths storage device.

Steam generation plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy storage system (5) has at least one feed water tank with thermal degassing.

Steam generation plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy storage system (5) has at least one condensate tank.

Steam generation plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy storage system (5) has at least one large water boiler.

Steam generation plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy storage system (5) has at least one heat source (31) which is designed to heat stored steam.

Steam generation plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one steam generator (2) is a high-temperature heat pump.

Steam generating plant (1) according to claim 8 , characterized in that the thermal energy storage system (5) is designed to supply stored steam to the evaporator (32) of the high-temperature heat pump at a suitable pressure level.

Method for operating a steam generation plant (1) comprising at least one steam generator (2) and a compressor (4) with several consecutive compressor stages (10, 11, 12), in which the operating states of the individual compressor stages (10, 11, 12) are monitored, wherein, when a compressor stage (10, 11, 12) approaches its individual surge limit, a steam mass flow is extracted immediately behind this compressor stage (10, 11, 12) until a proper operating state is reached and the extracted steam is stored in a thermal energy storage system (5), and, when a compressor stage (10, 11, 12) approaches its individual absorption limit, a steam mass flow of suitable pressure level is supplied from the thermal energy storage system (5) immediately before this compressor stage (10, 11, 12) until a proper operating state is reached.

procedure according to claim 10 , in which a steam mass flow of suitable pressure level is optionally supplied from the thermal energy storage system (5) after the last compressor stage (12).

procedure according to claim 10 or 11 in which steam stored in the thermal energy storage system (5) is selectively heated via at least one heat source (31).

Method according to one of the Claims 10 until 12 , in which the at least one steam generator (2) is a high-temperature heat pump whose evaporator (32) is optionally operated via steam stored in the thermal energy storage system (5).