DE19510006A1 - Vorrichtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid-Energiekraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid-Energie­ kraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen mit einem Dampferzeuger, der eine Ab­ luftleitung, eine Zuluftleitung und eine Zuleitung für den fossilen Brennstoff sowie eine Luftvorwärmereinheit aufweist, in der die Zuluftleitung und die Ab­ luftleitung thermisch aneinander gekoppelt sind.

In Gebieten hoher Sonneneinstrahlung kann ein rein solarthermisch betriebenes Kraftwerk mit einem zu­ friedenstellenden Verhältnis zwischen Speicherkapazität der durch die Sonne gewonnenen Energie und der von der Sonne zur Verfügung gestellten Energie, das sogenannte Solarvielfache, die Vollaststunden eines Mittellast­ kraftwerkes erreichen. Die bisher realisierten reinen Solarkraftwerke mit thermischem Speicher haben allerdings die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllt und den Status von Prototypen nicht über­ schritten. Insbesondere in Gebieten verminderter Son­ neneinstrahlung ist der Einsatz reiner Solarkraftwerke nicht sinnvoll.

Im Wege der gegenwärtigen Bestrebungen, die fossilen Energiequellen möglichst zu schonen und den in ihnen vorhandenen Energiewert möglichst effektiv zu nutzen, und gleichzeitig die bisher gewonnenen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Solartechnik zu nutzen, verfolgt man das Konzept der sogenannten solaren Hybrid-Kraftwerke. Diese verwenden sowohl fossile Energie als auch solare Strahlung und können damit eine höhere Verfügbarkeit bei gutem Wirkungsgrad garantieren ohne mit teuren Energiespeichern arbeiten zu müssen.

Ein solares Hybrid-Kraftwerk soll die "kostenlos" anfallende Solarstrahlung möglichst immer optimal nutzen. Gleichzeitig soll es den Leistungsanforderungen des Netzes gerecht werden, was durch eine abgestimmte fossile Energiezufuhr geregelt werden kann. Die Exergie, d. h. der in wirtschaftlich verwertbare Form umwandelbare Teil der zugeführten Energie, des Brennstoffes soll dabei ebenfalls optimal ausgenutzt werden. So sollen bei der Wandlung der Energieströme möglichst viele Anlagenteile gemeinsam genutzt werden, um die spezifischen Stromentstehungskosten niedrig zu halten.

Ein Kraftwerk mit einem thermischen Kreislauf ist unter diesen Anforderungen am besten geeignet. Handelt es sich um einen offenen Kreislauf, kann die solare Wärme dem fossilen Brennstoff vor der Verbrennung zugeführt werden. Bei einem geschlossenen thermischen Kreislauf besteht neben dieser Option vor allem die Möglichkeit, dem Kreislauf die solare Wärme direkt zuzuführen.

Unter den existierenden thermischen Kreisläufen steht insbesondere der Dampfkraftkreislauf im Vordergrund, da er aufgrund hundertjähriger Optimierungen, seinem exergetischen Maximum sehr nahe ist. Dies ist umso wichtiger, da die Verwendung solarer Technologien mit einem relativ hohem Materialaufwand verbunden ist und erst dann sinnvoll wird, wenn die Möglichkeiten der rationellen Energienutzung und Energieeinsparung weit­ gehend ausgeschöpft sind.

Zur Verdeutlichung der Energie- und Exergieflüsse eines beispielhaften Kohlekraftwerkes ist in Fig. 1 ein Exergie-Anergie-Flußbild eines typischen Dampfkraftwerkes dargestellt. Der Gesamtenergiebetrag, der vom Brennstoff bereitgestellt wird, wird nur zu einem gewissen Bruchteil in wirtschaftlich verwertbare Nutzarbeit (Exergie, die in der Fig. 1 als dunkel hinterlegte Fläche hervorgeht) ungewandelt. Der rest­ liche Energieanteil (die sogenannte Anergie) geht dabei verloren und ist in Fig. 1 als hell unterlegte Fläche dargestellt. So treten im Dampferzeugerbereich folgende irreversible Umwandlungen von Exergie in Anergie auf:

• A) Durch die Verbrennung des Brennstoffes kann nicht die gesamte Energie in Exergie umgewandelt werden, so daß ein erheblicher Anteil verlorengeht.
• B) Die Abgasbildung beinhaltet nicht nutzbare Energiemengen, die dem technischen Kraftprozeß ver­ lorengehen.
• C) Die Erwärmung des Arbeitsmediums und der damit verbundene Wärmeübergang stellt ebenfalls irreversible Verluste dar, die dem technischen Arbeitsprozeß ent­ zogen werden.

Der unmittelbar an den Dampferzeuger gekoppelte Dampf­ kraftkreislauf enthält ebenso irreversible Verlust­ mechanismen, die sich wie folgt darstellen:

• D) Betrieb und Vorwärmung der Turbine.
• E) Kondensatorbetrieb
• F) Speisepumpenbetrieb

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Energieflußdiagramm geht hervor, daß der Großteil der in einem thermischen Kraftwerk auftretenden Exergieverluste bei der Ver­ brennung entstehen. Der Betrieb einiger bekannter Hybridkraftwerke trägt z. B. durch die solare Vorwärmung von Speisewasser dazu bei, diesen Exergieverlust zu verringern.

Ebenso geht aus der Darstellung gemäß 1 hervor, daß in Dampfkraftwerken der größte Exergieverlust neben der Verbrennung bei der Wärmeübertragung entsteht. Da solare Wärme üblicherweise bei anderen Temperaturen anfällt als fossile Wärme, kann man die solare Wärmezufuhr so in das thermische Kraftwerk integrieren, daß fossile Exergieverluste vermieden werden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß durch die solare Wärmezufuhr die thermodynamische Mitteltemperatur der fossilen Wärmezuführung an den Dampfkreislauf weiter angehoben wird.

Dies kann auf verschiedene Weise realisiert werden: So kann zum einen das Speisewasser, das über eine Vielzahl von thermodynamischen Zwischenstufen dem Dampferzeuger zugeführt wird, durch solare Wärme, die von einem Kollektorfeld gewonnen wird, über einen Wärmeüberträger im Bereich zwischen 60 bis 250°C vorgewärmt werden. Ebenso ist die solare Wärmezufuhr an das noch flüssige Arbeitsmedium unmittelbar vor der Verdampferstufe möglich, vor der das Arbeitsmedium eine Temperatur zwischen 250 und 350°C besitzt.

Alternativ zur Vorwärmung bzw. Erwärmung des flüssigen Arbeitsmediums kann die für die Verbrennung nötige Luftmenge solar vorgewärmt werden. Die Vorwärmung der für die Verbrennung notwendigen Luftmenge wird üblicherweise schon bei fossil gefeuerten Kraftwerken angewendet, in dem die im Verbrennungsgas nach dem Austritt aus dem Dampferzeuger verbleibende Wärme über einen regenerativen Wärmetauscher der frischen Ver­ brennungsluft zugeführt wird. Dabei ist zu beachten, daß das entstehende Rauchgas den Säuretaupunkt nicht unterschreiten darf, da sonst die im Abgas enthaltene Schwefelsäure an Schornstein und Kessel zu Korrision und Materialschäden führen würde. Andererseits sollte die zugeführte Verbrennungsluft genügend kühl sein um eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Ver­ brennungsluft und damit einen guten Wärmeübergang zwischen den beiden Gasen zu gewährleisten.

Bei den bisher bekannten Möglichkeiten der solaren Verbrennungsluftvorwärmung hat man der Verbrennungs­ luft die solare Wärme vor dem regenerativen Wärme­ tauscher, durch den die frische Verbrennungsluft durch die heißen Verbrennungsgase erwärmt wird, zugeführt. Als nachteilhaft hat sich bei dieser Maßnahme herausge­ stellt, daß der Wärmeübergang im Luftvorwärmer negativ beeinflußt wird, insbesondere dann, wenn die solare Wärme bei hoher Temperatur zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid- Energiekraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen, mit einem Dampferzeuger, der eine Abluftleitung, eine Zuluftleitung und eine Zuleitung für den fossilen Brennstoff sowie eine Luftvorwärmer­ einheit aufweist, in der die Zuluftleitung und die Abluftleitung thermisch aneinandergekoppelt sind, derart weiterzubilden, so daß die Erwärmung der für den Verbrennungsvorgang notwendigen Luftstrom keine nachtei­ ligen Einflüsse auf den Wärmeübergang im Luftvorwärmer besitzt.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Ansprüchen 2ff zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Dampferzeugung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterge­ bildet, daß vor Eintritt der Zuluftleitung sowie der Zuleitung für den fossilen Brennstoff in den Dampfer­ zeuger und nach der Luftvorwärmereinheit wenigstens eine solare Vorwärmungseinheit vorgesehen ist, an der die in den jeweiligen Zuleitungen enthaltenen Medien erwärmbar sind.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß die frische Verbrennungsluft ungestört in die Luftvorwärmereinheit einfließt und dort mit dem heilen Verbrennungsgas thermisch in Kontakt tritt, und durch dieses vorgewärmt wird. Erst nach Austritt der Luftvorwärmereinheit sind erfindungsgemäß in der Verbrennungsluftzuluftleitung Wärmeübertragungsvorrichtungen vorgesehen, an denen die solare Wärme bei hoher Temperatur der bereits vorge­ wärmten Verbrennungsluft zugeführt werden kann.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Temperatur­ unterschied zwischen der frischen Verbrennungsluft und dem heilen Rauchgas vor der Luftvorwärmeeinheit ver­ hältnismäßig groß ist, wodurch eine deutliche Erwärmung der Verbrennungsluft durch das heile Rauchgas stattfinden kann.

Alternativ sieht die Erfindung vor, daß im Brennstoff­ kreislauf, beispielsweise in der Zuleitung für den Kohlestaub ebenso oder alternativ solare Wärmekopplungs­ elemente vorgesehen sind. Ferner können derartige Wärmekoppelelemente auch in der Zuleitung integriert sein, durch die die Verbrennungsluft gemeinsam mit dem Brennstoff in die Verdampfereinheit selbst einmünden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarische beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Exergie-Anergie-Flußbild eines konventionellen Dampfkraftwerkes und

Fig. 2 schematische Darstellung verschiedener Mög­ lichkeiten der solaren Verbrennungskompo­ nentenvorwärmung, dargestellt am Dampferzeuger eines konventionellen Kraftwerkes.

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Exergie-Anergie- Flußbild ist wie bereits vorstehend beschrieben zu entnehmen, daß die bei der Verbrennung auftretenden größten Verluste bei der Verbrennung selbst sowie bei der Wärmeübertragung an das Arbeitsmedium entstehen. Der mit dieser Erfindung verfolgte Gedanke soll ent­ scheidend zur Minderung dieser Verluste beitragen.

In Fig. 2 ist ein typischer Dampferzeuger dargestellt, der aus einer Verdampfereinheit, einem Überhitzer, einem Zwischenüberhitzer sowie einem sogenannten Economizer besteht, der das Speisewasser nach der letzten Hochdruck-Vorwärmstufe vom Verbrennungsgas bis zur Verdampfungstemperatur weiter erwärmt. Das im Verbrennungsprozeß entstehende Rauchgas wird dabei aus dem Dampferzeuger abgeleitet und einem Luftvorwärmer (Luvo) zugeleitet. In dem Luftvorwärmer, dem frische Verbrennungsluft zugeführt wird, findet ein Wärmeübergang zwischen dem heilen Rauchgas und der frischen Verbrennungsluft statt, so daß die Ver­ brennungsluft entscheidend vorgewärmt wird.

Erfindungsgemäß befindet sich nach dem Luftvorwärmer in der Verbrennungsluftzuleitung eine solare Vorwärmerein­ heit 1, die die bereits vorgewärmte Verbrennungsluft weiter erwärmt. Alternativ oder additiv dazu befindet sich ebenso eine solare Vorwärmereinheit 2 in der Zulei­ tung des fossilen Brennstoffes, so daß beispielsweise zugeführter Kohlestaub auf eine entsprechende Tempera­ tur vorgewärmt wird, bevor der Kohlestaub die Verdam­ pfereinheit erreicht. Ferner kann eine weitere solare Vorwärmungseinheit 3 in der gemeinsamen Zuleitung von Verbrennungsluft und Kohlestaub vor Eintritt in den Verdampfer vorgesehen sein.

In der Fig. 2 sind alle 3 Möglichkeiten schematisch dargestellt, die additiv oder alternativ angeordnet sein können.

Anstatt Kohlestaub als fossilen Brennstoff zu ver­ wenden, sind auch andere fossile Brennstoffe wie bei­ spielsweise Erdgas, Öl, Torf, Biomasse verwendbar.

In Abhängigkeit der solaren Wärmezufuhr kann die fossile Energiezufuhr heruntergefahren werden. Im Idealfall kann die zuströmende Verbrennungsluft über die maximale Verbrennungstemperatur von ca. 1100°C erwärmt werden, so daß die fossile Brennstoffzufuhr völlig ersetzt werden kann. Zur solarthermischen Wandlung können überdies Kollektortechnologien herange­ zogen werden, die mindestens eine Temperatur von 100°C erreichen. Typische Kollektortechnologien seien im folgenden reihenhaft aufgezählt:

• - Turm mit geschlossenem Receiver und Heliostatenfeld, die eine direkte Erwärmung der Verbrennungskompo­ nenten ermöglichen.
• - Kollektorfeld mit Rinnenkollektoren oder Dishes, die eine indirekte Erwärmung der Verbrennungskomponenten über ein Wärmeträgermedium ermöglichen.
• - Turm mit geschlossenem Receiver und Heliostatenfeld, die eine indirekte Erwärmung der Verbrennungskompo­ nenten über ein Wärmerträgermedium ermöglichen.
• - Turm mit offenem, volumetrischem Receiver, wobei ein Teil der durch den Kraftwerks-Luftvorwärmer (Luvo) vorgewärmten Luft verloren geht.
• - Hocheffiziente Luftkollektoren bzw. Flachkollektoren.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid-Energiekraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen, mit einem Dampferzeuger, der eine Abluftleitung, eine Zuluftleitung und eine Zulei­ tung für den fossilen Brennstoff sowie eine Luftvorwärmereinheit aufweist, in der die Zuluftleitung und die Abluftleitung thermisch aneinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß vor Eintritt der Zu­ luftleitung sowie der Zuleitung für den fossilen Brennstoff in den Dampferzeuger und nach der Luftvorwärmereinheit wenigstens eine solare Vor­ wärmungseinheit vorgesehen ist, an der die in den jeweiligen Zuleitungen enthaltendenden Medien erwärmbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine solare Vor­ wärmungseinheit nach der Luftvorwärmungseinheit in der Zuluftleitung vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein solare Vorwärmungseinheit in der Zuleitung für den fossilen Brennstoff vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuluftleitung und die Zuleitung für den fossilen Brennstoff vor Eintritt in den Dampferzeuger ineinandermünden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine solare-Vorwärmungseinheit in dem Zuleitungsteil vorgesehen ist, in dem die Zuluft und der fossile Brennstoff gemeinsam enthalten sind.