DE2620023A1

DE2620023A1 - Verfahren und vorrichtung zur speicherung von energie in kraftwerken

Info

Publication number: DE2620023A1
Application number: DE19762620023
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Bitterlich; Franz Dipl Ing Thelen; Henning Dipl Ing Weber
Original assignee: Deutsche Babcock AG
Current assignee: Deutsche Babcock AG
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4130992A

Description

c_Pat/i75o/Mü

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Energie in Kraftwerken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazu gehörende Vorrichtung zur Speicherung von Energie in Kraftwerken bei dem ein Überschuß von Wasser bei Schwachlastbetrieb in den Speisewasser-Vorwärmern erhitzt, als heißes Wasser in einem Heißspeicher gespeichert und bei Spitzenlastbetrieb unter Umgehung der Speisewasser-Vorwärmer in die Speisewasserleitung eingespeist wird und bei dem im Wechsel mit dem heißen Wasser kälteres Wasser aus dem unteren Teil des Heißspeichers entnommen bzw. eingespeichert wird.

Ein derartiges Verfahren dient zur Speicherung großer Mengen an heißem Wasser, um Lastspitzen über mehrere Stunden oder auch mehrere Tage fahren zu können. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß auf den Bau eines Spitzenkraftwerkes verzichtet werden kann, wenn stattdessen wenige Komponenten des Mittellastkraftwerkes verstärkt oder vergrößert werden und das Heißwasser-Energiesystem installiert wird.

Bei einem bekannten Verfahren ist der Heißspeicher parallel zu den Speisewasservorwärmern geschaltet. Während des Schwachlas tbetriebes wird in den oberen Teil des Speichers Heißwasser eingespeichert, während die gleiche Masse an kaltem Wasser aus dem unteren Teil des Heißspeichers entnommen wird. Schwierigkeiten bereitet bei diesem Verfahren der Umstand, daß das kältere Wasser bei der Einspeicherungstemperatur nicht entgast ist. Man kann daher das heiße Wasser nicht ohne besondere Trennelemente über das kältere Wasser schichten.

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Außerdem läßt sich das beschriebene Verfahren noch weiter optimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Speicherung großer Energiemengen zur Spitzenlastdeckung über einen längeren Zeitraum zu schaffen, das einerseits ohne zusätzliche Trennelemente im Speicher auskommt und das andererseits möglichst viele Dampfentnahmen für die Leistungssteigerung nutzbar macht.

Das geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß das kältere Wasser vor der Einspeicherung in den Heißspeicher thermisch entgast wird und daß die Entgasung mit Anzapfdampf von einem Druck, der gerade oberhalb des Atmosphärendruckes vorzugsweise zwischen 1,o1 und 1,5 ata liegt, durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist sichergestellt, daß dem Heißspeicher nur entgastes Wasser zugeführt wird. Andererseits wird die thermische Entgasung bei möglichst niedrigem Druck vorgenommen, so daß alle Anzapfstellen mit höherem Druck bei Spitzenlastbetrieb abgesperrt und dieser Dampf zur Spitzenlastdeckung in der Turbine abgebaut werden können. Insgesamt ist damit eine Leistungssteigerung von 12 - 2o % gegenüber dem Vollastbetrieb möglich.

Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann der mit dem Entgaser verbundene Speisewasserbehälter zum Volumenausgleich während der Einspeicherung des heißen Wassers in den Heißspeicher verwendet werden. In diesem Fall kann ein Dampfpolster oberalb des heißen Wassers im Heißspeicher entfallen, so daß der unter hohem Druck stehende Heißspeicher verkleinert werden kann. Da bei den herrschenden Temperaturen der Volumenunterschied zwischen dem heißen und dem kälteren Wasser etwa 3o % beträgt, muß das Volumen des Speisewasserbehälters 3o % des Heißspeichervolumens entsprechen.

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Weiterhin können drei Speicher von etwa gleichem Volumen verwendet werden, von denen der Heißspeicher und der als Warmspeicher dienende Speisewasserbehälter wechselweise gefüllt und entleert werden. In einem hinter dem Kondensator liegenden Kaltspeicher wird dabei das Kondensat zwischengelagert. Diese Verfahrensweise bringt den Vorteil mit sich, daß auch die vor dem Entgaser liegenden Niederdruckvorwärmer während der Spitzenlastzeit abgeschaltet werden und auch dieser Dampf zur Leistungssteigerung herangezogen werden kann.

Die maximale Leistungssteigerung wird erreicht, wenn das heiße Wasser mit einer Temperatur eingespeichert wird, die der Speisewassertemperatur bei Vollast des Kessels entspricht. Die Speisewassertemperatur eines Dampfturbinenprozesses sinkt mit Teillast ab, da die Entnahmedrücke nahezu lastproportional abnehmen. Um dem entgegenzuwirken, wird vorgeschlagen, daß die Einspeicherung des heißen Wassers im Anschluß an den Spitzenlastbetrieb und bei Vollast bzw. nahe bei Vollast vorgenommen wird. Je nach Lastprogramm ist damit die Einspeicherungszeit vorgegeben, wobei zur Einhaltung dieser Bedingung die Vorwärmer, das Rohrleitungssystem und die Pumpen auf das Lastprogramm abgestimmt sind.

Während der Erzeugung von Spitzenstrom mit geschlossenen Entnahmen erhöht sich der Zwischenüberhitzerdruck, so daß der Dampferzeuger speziell für die Bedingungen des Spitzenlastbetriebes ausgelegt sein müßte. Um das zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß bei Spitzenlastbetrieb die Temperatur und der Druck des zwischenüberhitzten Dampfes derart aufeinander abgestimmt werden, daß sie auf einer Linie konstanter Festigkeit des Rohrmaterials liegen. Das läßt sich z.B. dadurch erreichen, daß die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes entsprechend der vorhandenen Charakteristik abfällt.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil auch in Verbindung mit der Versorgung von Fernwärmenetzen oder Wärmeverbrauchern der Industrie betrieben werden. Hierzu wird vorgeschlagen, daß an die Speicher eine Fernwärmeversorgung angeschlossen wird. Neben der bekannten Verbesserung des Prozesswirkungsgrades durch Ausnutzung des Entnahmedampfes für die Wärmeversorgung haben diese Speichersysteme den Vorteil, daß bei gleichzeitig auftretenden Belastungsspitzen der elektrischen Versorgung und der Fernwärmeversorgung der Dampferzeuger und seine Hilfseinrichtungen nicht für die Spitzenlast bemessen sein müssen, sondern daß in Spitzenlastzeiten die Speicherwärme für die Heizzwecke benutzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Schaltplanes des Kraftwerkes näher erläutert.

Der Dampferzeuger 1 kann aus einem mit fossilem Brennstoff gefeuerten Kessel oder aus einem Kernreaktor bestehen. Der erzeugte Dampf wird in einer Hochdruckturbine 2, nach dem Durchströmen eines Zwischenüberhitzers 3 in einer Mitteldruckturbine 4 und anschließend in einer Niederdruckturbine 5 entspannt. Die auf einer Welle arbeitenden Turbinen 2, 4, 5 treiben einen Generator 6 an.

Der Turbinenabdampf wird in dem Kondensator 7 niedergeschlagen und von der Kondensatpumpe 8 durch die Speisewasserleitung 9 in die mit Anzapfdampf aus der Niederdruckturbine 5 bzw. der Mitteldruckturbine 4 beheizten Niederdruck-Speisewasservorwärmer 1o gefördert. Das vorgewärmte Wasser wird im Entgaser mit Hilfe von Anzapfdampf thermisch entgast und in dem Speisewasserbehälter 12 gelagert. Der Druck des entgasten und vorgewärmten Wassers wird mit Hilfe der Mitteldruckpumpe 13 erhöht.

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In den sich anschließenden Hochdruckvorwärmern 14 wird das Wasser auf Speisewassertemperatur gebracht und anschließend durch die Hochdruckpumpe 15 in den Dampferzeuger 1 eingespeist.

Parallel zu den Hochdruckvorwärmern 14 ist ein Heißspeicher 16 geschaltet. In den oberen Teil dieses Heißspeichers 16 wird während des Schwachlastbetriebes Wasser, das in den Hochdruckvorwärmern 14 erhitzt wurde, eingespeichert und über kältere Wasser geschichtet. Die Trennfläche zwischen dem heißen und dem kälteren Wasser ist durch die Linie 17 angedeutet. Während der Spitzenlastzeit werden die Dampfentnahmen zu den Hochdruckvorwärmern 14 abgesperrt, das gespeicherte heiße Wasser unter Umgehung der Hochdruckvorwärmer 14 aus dem Heißspeicher 16 mittels der Hochdruckpumpe 15 abgesaugt und in den Dampferzeuger 1 als Speisewasser eingespeist. Der gesamte der Turbine zugeführte Dampf kann dann zur Leistungsausnutzung in der Mitteldruckturbine 4 herangezogen werden.

Im Wechsel mit dem heißen Wasser wird in den unteren Teil des Heißspeichers das Wasser eingeführt bzw. aus ihm entnommen, das in dem Entgaser 11 thermisch entgast ist. Die Verwendung von entgastem Wasser erlaubt, das heiße und das kalte Wasser (t^1oo ⁰C) gleichzeitig in einem Speicherbehälter zu lagern. Der Heißspeicher 16 ist vollständig mit Wasser gefüllt. Da das heiße Wasser ein größeres Volumen einnimmt als das kältere Wasser, wird zum Ausgleich des Volumendefekts während der Einspeicherungsperiode das kältere Wasser in den Speisewasserbehälter 12 gegeben. Zu diesem Zweck erhält der Speisewasserbehälter 12 ein Volumen, das etwa 3o % des Volumens des Heißspeichers 16 beträgt.

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Der Entgaser 11 wird auf einen solchen Entnahmedruck gelegt, der gerade oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt. Er sollte 1,5 ata nicht übersteigen und vorzugsweise bei 1,o5 ata liegen. Alle Entnahmen mit einem höheren Druck werden bei Vollast und Schwachlastbetrieb zur Speisewasservorwärmung und bei Spitzenlastbetrieb zur Leistungssteigerung herangezogen.

Um bei dem beschriebenen Verfahren auch die Niederdruckvorwärmer 1o zur Leistungssteigerung heranziehen zu können, wird eine aus drei Speichern bestehende Speicheranlage vorgesehen. Diese besteht aus dem schon beschriebenen Heißspeicher 16, einem als Warmspeicher dienenden Speisewasserbehälter und einem Kaltspeicher 18, der hinter dem Kondensator 7 angeordnet ist. Alle drei Speicher 12, 16, 18 weisen etwa das gleiche Volumen auf, stehen aber unter unterschiedlichen Drücken.

Die Dreispeicheranlage wird folgendermaßen betrieben. Während des Normalbetriebes wird der Turbinenabdampf im Kondensator 7 kondensiert. Die Kondensatpumpe 8 erhöht den Druck des Kondensates auf den Entgaserdruck von > 1,o bis 1,5 ata. In den Niederdruckvorwärmern 1o wird das Kondensat erwärmt und in dem als Mischvorwärmer ausgebildeten Entgaser 11 thermisch entgast. Die Mitteldruckpumpe 13 erhöht den Druck auf das Druckniveau des Heißspeichers 16. Im Anschluß an die Aufwärmung in den Hochdruckvorwärmern 14 erfolgt die Druckerhöhung auf den Speisewasserdruck von beispielsweise etwa 26o bar durch die Hochdruckpumpe 15.

Während des Spitzenlastbetriebes wird der Turbinenabdampf ebenfalls im Kondensator 7 kondensiert. Da kein Entnahmedampf

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für die Niederdruckvorwärmer 1o zur Verfügung steht, kann das Kondensat nicht vorgewärmt werden. Das anfallende Kondensat wird über die Pumpe 19 in den Kaltspeicher 18 gepumpt und dort bei steigendem Wasserspiegel gelagert. Der oberhalb des Wasserspiegels im Kaltspeicher 18 vorhandene Dampfraum ist über absperrbare Leitungen 2o oder 21 entweder mit dem Kondensator 7 oder mit einer Anzapfleitung mit einem Druck von etwa 1 ata verbunden. Der zum Betrieb des Dampferzeugers 1 notwendige Speisewasserstrom wird dem Heißspeicher 16 entnommen. Da der Druck im Heißspeicher 16 gehalten werden soll, muß das abgezogene Heißwasservolumen gleichzeitig durch ein gleich großes Warmwasservolumen ersetzt werden. Dieses Warmwasservolumen wird aus dem Warmspeicher (Speisewasserbehälter 12) genommen und mit Hilfe der Mitteldruckpumpe 13 in den Kaltbereich des Heißspeichers 16 gedrückt. Da die Kondensatpumpe 8 nicht fördert, sinkt der Wasserspiegel im Speisewasserbehälter 12. Der frei werdende Raum wird durch Dampf aus der angeschlossenen Anzapfung ausgefüllt. Am Ende des Spitzenlastbetriebes ist der Kaltspeicher mit Wasser von einem Druck von 1 ata und einer Temperatur, die der Kondensatortemperatur entspricht, gefüllt. Der Speisewasserbehälter 12 enthält Dampf und nur wenig Wasser. Der Heißspeicher ist mit Wasser gefüllt, dessen mittlere T€
entspricht.

mittlere Temperatur, der des Entgasers 11 (1o5 ° bis 112 ⁰C)

Während des Schwachlastbetriebes werden die Speicher 16 und 12 wieder aufgeladen. Der der Schwachlast entsprechende Kondensatstrom wird von der Pumpe T9 gefördert. Das zum Auffüllen des Warmspeichers (Speisewasserbehälter 12) erforderliche Wasser wird dem Kaltspeicher 18 entnommen, dem Kondensatstrom vor der Pumpe 8 zugemischt und gemeinsam mit ihm in den Niederdruckvorwärmern 1o erwärmt. Der Wasserspiegel im Speisewasserbehälter 12 steigt wieder an. Die Mitteldruckpumpe 18 bringt

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den Speisewasserstrom auf das Druckniveau des Heißspeichers Die von Hochdruckpumpe 15 geförderte Menge ist etwa so hoch wie die der Mitteldruckpumpe 13. Diesem Speisewasserstrom durch die Hochdruckvorwärmer 14 wird der Ladestrom für den Heißspeicher 16 überlagert. Durch die Erhöhung der mittleren Temperatur im Heißspeicher 16 nimmt der Masseinhalt ab. Um diesen Betrag ist die Fördermenge der Mitteldruckpumpe kleiner als die der Hochdruckpumpe 15. Der Inhalt des Speisewasserbehälters 12 steigt nochmals an.

In der Zeichnung ist noch die Möglichkeit angedeutet, daß das beschriebene Speichersystem auch für die Versorgung eines Wärmeverbrauchers in der Industrie oder eines Fernwärmenetzes verwendet wird. Dazu ist der Wärmeverbraucher 22 über ein Druckreduzierventil 23 mit dem Heißspeicher 16 verbunden. Nach erfolgter Wärmeabgabe wird das Wasser in den Kaltspeicher rückgeführt oder bei einer nur teilweisen Wärmeabgabe mit nicht mehr maximaler Temperatur dem Dampferzeuger zugeführt.

Es ist bekannt, daß die Zwischenüberhitzerrohre mit einer umso höheren Dampftemperatur belastet werden können, je niedriger der Dampfdruck in den Rohren ist. Umgekehrt kann bei niedrigerer Dampftemperatur ein höherer Dampfdruck zugelassen werden. Für jeden für die Zwischenüberhitzerrohre verwendeten Werkstoff besteht eine von der Dampftemperatur und dem Dampfdruck abhängige Linie konstanter Lebensdauerausnutzung. Während des Spitzenlastbetriebes wird daher bei steigendem Druck in den Rohren des Zwischenüberhitzers 3 die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes durch Einspritzung auf einen solchen Wert gekühlt, der dem herrschenden Druck gemäß der Linie konstanter Lebensdauerausnutzung des Rohrmaterials entspricht.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

ί1 ΛVerfahren zur Speicherung von Energie in Kraftwerken, Vy bei dem ein Überschuß an Wasser bei Schwachlastbetrieb in den Speisewasservorwärmern erhitzt, als heißes Wasser in einem Heißspeicher gespeichert und bei Spitzenlastbetrieb unter Umgehung der Speisewasservorwärmer in die Speisewasserleitung eingespeist wird und bei dem im Wechsel mit dem heißen Wasser kälteres Wasser aus dem unteren Teil des Heißspeichers entnommen bzw. in ihn eingespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Wasser vor der Einspeisung in den Heißspeicher thermisch entgast wird und daß die Entgasung mit Anzapfdampf von einem Druck, der gerade oberhalb des Atmosphärendruckes vorzugsweise zwischen 1,o1 und 1,5 ata liegt, durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Entgaser verbundene Speisewasserbehälter zum Volumenausgleich während der Einspeicherung des heißen Wassers in den Heißspeicher verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Speicher von etwa gleichem Volumen verwendet werden, von denen der Heißspeicher und der als Warmspeicher dienende Speisewasserbehälter wechselweise gefüllt und entleert werden und wobei in einem hinter dem Kondensator liegenden Kaltspeicher das Kondensat zwischengelagert wird.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Wasser mit einer Temperatur eingespeichert wird, die der Speisewassertemperatur bei Vollastbetrieb entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeicherung des heißen Wassers im Anschluß an den Spitzenlastbetrieb und nahezu bei Vollast vorgenommen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Spitzenlastbetrieb die Temperatur und der Druck des zwischenüberhitzten Dampfes derart aufeinander abgestimmt werden, daß sie auf einer Linie konstanter Lebensdauerausnutzung des Rohrmaterials liegen.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte gespeicherte Heißwasser oder ein Teil davon vor der Einspeisung in den Dampferzeuger einen Teil seiner Wärme an einen Wärmeverbraucher abgibt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Heißspeicher (16) ein als Mischvorwärmer ausgebildeter thermischer Entgaser (11) vorgeschaltet ist, der mit einer Anzapfleitung mit einem Entnahmedruck, der gerade oberhalb des Atmosphärendruckes liegt, verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißspeicher (16) vollständig mit Wasser gefüllt ist und daß der mit dem Entgaser (11) verbundene Speisewasserbehälter (12) ein Volumen aufweist, das etwa 3o % des Volumens des Heißspeichers (16) entspricht.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Speicher gleichen Volumens vorgesehen sind, wobei der Kaltspeicher (18) zwischen dem Kondensator (7) und den Niederdruckvorwärmern (1o) angeordnet ist, der Warmspeicher mit dem Entgaser (11) verbunden ist und der Heißspeicher (16) parallel zu den hinter dem Entgaser (11) und der Mitteldruckpumpe (13) liegenden Hochdruckvorwärmern (14) geschaltet ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 1o, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeverbraucher (22) über ein Druckreduzierventil (23) mit dem Heißspeicher (16) verbunden ist.

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