DE10029732A1 - Dampfkraftanlage - Google Patents

Abstract

Wärmekraftanlage mit einem ersten Dampferzeuger zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids und einer mit diesem verbundenen ersten Dampfkraftmaschine sowie mit einem zweiten Dampferzeuger, der mit der ersten Dampfkraftmaschine und einer zweiten Dampfkraftmaschine verbunden und ausgebildet ist, aus der ersten Dampfkraftmaschine austretendes erstes Arbeitsfluid zu kühlen und ein zweites Arbeitsfluid zum Antrieb der zweiten Dampfkraftmaschine zu verdampfen, wobei durch Wärmetauschmittel, die angeordnet und ausgebildet sind, das zweite Arbeitsfluid vor dem Eintritt in den zweiten Dampferzeuger mittels Abwärme des ersten Dampferzeugers vorzuwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit einem ersten Dampferzeuger zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids und einer mit dem ersten Dampferzeuger verbundenen ersten Dampfkraftmaschine, sowie mit einem zweiten Dampferzeu­ ger, der mit der ersten Dampfkraftmaschine und einer zweiten Dampfkraftmaschine verbunden und ausgebildet ist, aus der ersten Dampfkraftmaschine austretendes erstes Arbeitsfluid zu kühlen und ein zweites Arbeitsfluid zum Antrieb der zweiten Dampfkraftmaschine zu verdampfen.

Dampfkraftanlagen, die beispielsweise nach dem Rankine-Prozess arbeiten, sind grundsätzlich bekannt. Zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades solcher Wärme­ kraftanlagen ist es beispielsweise aus der DE 34 20 293 sowie der US 4,760,705 bekannt, zwei Wärmekraftprozesse derart hintereinander zu schalten, dass die Wärme des aus einer ersten Wärmekraftmaschine des ersten Prozesses austreten­ den ersten Arbeitsfluids zum Verdampfen des zweiten Arbeitsfluids für den zweiten Wärmekraftprozess verwendet wird. Auf diese Weise lässt sich einerseits eine Kühlung des ersten Arbeitsfluids auf der Austrittsseite der ersten Wärmekraftma­ schine erzielen, so dass sich eine größere Temperatur- und Druckdifferenz zwi­ schen Ein- und Austritt des ersten Arbeitsfluids in die bzw. aus der ersten Wärme­ kraftmaschine gibt, mit der Folge, dass der erste Wärmekraftprozess mit höherem mechanischem Wirkungsgrad abläuft. Andererseits kann die auf die diese Weise dem ersten Wärmekraftprozess entzogene Wärmeenergie noch zu einem Teil in weitere mechanische Energie umgesetzt werden, indem sie in einem zweiten Wärmekraftprozess zum Antreiben einer zweiten Wärmekraftmaschine genutzt wird. Der zweite Wärmekraftprozess ist dabei vorzugsweise ein organischer Ranki­ ne-Prozess (organic rankine cycle), der mit einem organischen Arbeitsfluid auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitet.

Es besteht das Bedürfnis, den Wirkungsgrad einer derartigen Wärmekraftanlage weiter zu erhöhen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einer Wärmekraftanlage der eingangs ge­ nannten Art erzielt, indem ein Wärmetauscher dazu vorgesehen ist, das zweite Ar­ beitsfluid vor dem Eintritt in den zweiten Dampferzeuger mittels Abwärme des ersten Dampferzeugers vorzuwärmen.

Indem das zweite Arbeitsfluid durch die Abwärme des ersten Dampferzeugers vorgewärmt wird, kann auch diese Abwärme, die sonst ungenutzt wäre, genutzt werden. Dies ist möglich, da der zweite Wärmekraftprozess auf niedrigeren Tempe­ raturniveaus abläuft, als der erste Wärmekraftprozess. Das Temperaturniveau der Abwärme des ersten Dampferzeugers ist ausreichend hoch, um im zweiten Wärme­ kraftprozess genutzt zu werden.

Vorzugsweise ist der Wärmetauscher für das Vorwärmen des zweiten Arbeitsfluids bezüglich des ersten Dampferzeugers so angeordnet und ausgebildet, dass er das Abgas des ersten Wärmetauschers kühlt und die so gewonnenes Wärme dem zweiten Arbeitsfluid zuführt.

Im zweiten Wärmekraftprozess ist vorzugsweise ein zweiter Wärmetauscher für das zweite Arbeitsfluid an der Austrittseite der zweiten Wärmekraftmaschine angeordnet, der ausgebildet ist, das zweite Arbeitsfluid zu kühlen und die freiwer­ dende Wärme für die weitere thermische Nutzung, beispielsweise die Raumheizung, zu nutzen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Wärmekraftanlage ist der zweite Dampferzeuger ein Rieselfilm-Wärmetauscher, der ausgebildet ist, das aus der ersten Wärmekraftmaschine austretende erste Arbeitsfluid zu einem Rieselfilm zu kondensieren und die Kondensationswärme durch eine wärmeleitende Trenn­ wand auf das zweite Arbeitsfluid zu übertragen, um dieses zu verdampfen. Das zweite Arbeitsfluid ist vor dem Verdampfen in dem zweiten Dampferzeuger bereits durch die Abgaswärme des ersten Dampferzeugers vorgewärmt. Es hat sich gezeigt, dass sich mittels des Rieselfilm-Wärmetauschers eine besonders effektive Wärmeübertragung aus dem ersten Wärmekraftprozess in den zweiten Wärmekraft­ prozess bewirken lässt.

Däs erste Arbeitsfluid ist vorzugsweise Wasser und das zweite Arbeitsfluid vor­ zugsweise ein organisches Fluid. Dieses organische Fluid hat vorzugsweise eine Siedetemperatur von ca. 80°C.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles mithilfe der Figur näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine Wärmekraftanlage in schematischer Dar­ stellung.

In der Figur sind nur die wesentlichen Komponenten einer Wärmekraftanlage 10 dargestellt, nämlich ein erster Dampferzeuger 12, der in bekannter Weise zur Feuerung durch fossile Brennstoffe ausgebildet ist und ein erstes Arbeitsfluid, nämlich Wasser auf ca. 370°C erhitzt. Das Wasser tritt aus dem Dampferzeuger 12 als überhitzter Dampf mit einem Druck von 28 bar aus und wird über nicht dargestellte Regelventile einem Dampfmotor oder einer Dampfturbine 14 zugeführt.

Die Dampfturbine 14 ist mit einem Generator 16 verbunden, der die mechanische Arbeit der Dampfturbine 14 in elektrische Energie umwandelt.

In der Dampfturbine 14 kühlt sich der Wasserdampf auf eine Temperatur von beispielsweise 111,4°C ab. Dies entspricht einem Dampfdruck von 1,5 bar. Der aus der Dampfturbine 14 austretende Wasserdampf wird über ein Mehrwegeventil 18 einem Rieselfilmkondensator 20 zugeführt. In anderen Betriebszuständen kann der aus der Dampfturbine austretenden Wasserdampf in einer anderen Stellung des Mehrwegeventils 18 auch einer Notkühlung 22 zugeführt werden.

Je nach Stellung des Mehrwegeventiles 18 wird der aus der Dampfturbine 14 austretende Wasserdampf in dem Rieselfilmkondensator 20 oder der Notkühlung 22 zu etwa 90°C warmen Wasser kondensiert. Das Kondensat des ersten Arbeits­ fluids, also flüssiges Wasser, wird in einem Kondensattank 24 gesammelt und über Pumpen 26 einem Zwischentank 28 zugeführt. Aus diesem Zwischentank wird das Wasser über zwei Speisepumpen 30 wieder in den ersten Dampferzeuger 12 zurückgeführt. Die Speisepumpen 30 müssen dazu den im ersten Dampferzeuger 10 herrschenden Druck von 28 bar überwinden, das heißt das Speisewasser mit 28 bar in den ersten Dampferzeuger pumpen.

Damit ist der Kreislauf des ersten Arbeitsfluids, nämlich Wasser, beschrieben. Der Kreislauf des ersten Arbeitsfluids stellt einen ersten Wärmekraftprozess dar.

Ein vom Kreislauf des ersten Arbeitsfluids unabhängiger Kreislauf eines zweiten, organischen Arbeitsfluids stellt einen zweiten, mit dem ersten gekoppelten Wärme­ kraftprozess dar.

Das zweite Arbeitsfluid ist eine organisches Fluid mit einer Siedetemperatur von etwa 80°C. Dieses Arbeitsfluid wird in dem Rieselfilmkondensator 20 durch die Kondensationswärme des ersten Arbeitsfluids auf etwa 105°C aufgeheizt und damit verdampft. Dazu ist in dem Rieselfilmkondensator 20 eine wärmeleitende Trennwand vorgesehen, die den Kreislauf des ersten Arbeitsfluids von demjenigen des zweiten Arbeitsfluids vollständig trennt. Auf einer Seite wird die wärmeleitende Trennwand vom ersten Arbeitsfluid, dem aus der Dampfturbine 14 austretenden Wasserdampf beaufschlagt. Gleichzeitig wird die Trennwand auf ihrer anderen Seite durch das zweite Arbeitsfluid gekühlt. Der Wasserdampf kondensiert auf der einen Seite der Trennwand und schlägt sich als Rieselfilm nieder. Auf der anderen Seite der Trennwand wird zunächst flüssiges zweites Arbeitsfluid mittels der Kondensationswärme des ersten Arbeitsfluids verdampft.

Das zweite Arbeitsfluid tritt als Dampf mit einer Temperatur von etwa 105°C aus dem Rieselfilmkondensator 20 aus und wird einer als Dampfkraftmaschine 32, ebenfalls ein Dampfmotor oder eine Dampfturbine, ausgebildeten zweiten Wärme­ kraftmaschine zugeführt. In dieser entspannt sich der Dampf des zweiten Arbeits­ fluids und kühlt sich auf eine Temperatur von ca. 70°C ab. Die frei werdende Energie wird in der zweiten Dampfmaschine 32 in mechanische Energie umgewan­ delt. Die zweite Dampfmaschine 32 ist mechanisch mit einem Generator 34 gekop­ pelt, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Das aus der zweiten Dämpfmaschine austretende zweite Arbeitsfluid wird einem Restwärmetauscher 36 zugeführt. In diesem gibt das zweite Arbeitsfluid Wärme beispielsweise an Heiz- oder Brauchwasser ab, so dass die Wärme beispielsweise für die Wohnungsheizung oder die Warmwasserversorgung genutzt werden kann. Das Heiz- oder Brauchwasser tritt auf einer zweiten Seite des Restwärmetauschers 36 mit einer Temperatur von 50°C ein und wird auf etwa 70°C erwärmt. Auf der anderen Seite des Restwärmetauschers 36 wird das zweite Arbeitsfluid auf etwa 55°C abgekühlt und tritt mit dieser Temperatur aus dem Restwärmetauscher 36 aus. Das 55°C warme zweite Arbeitsfluid wird einem Vorwärm-Wärmetauscher 38 zugeführt, in dem es von 55°C auf 80°C vorgewärmt wird. Das derart vorge­ wärmte zweite Arbeitsfluid wird dann dem Rieselfilmkondensator 20 zugeführt, in dem es wieder verdampft wird.

Damit ist auch der Kreislauf des zweiten Arbeitsfluids und somit der zweite Wärme­ kraftprozess beschrieben. Der Vorwärm-Wärmetauscher 38 kann unmittelbar in einem Abgastrakt 40 einer Feuerung für den ersten Dampferzeuger 12 angeordnet sein.

Die Wärmekraftanlage 10 ist in der in der Figur abgebildeten Form jedoch so konzipiert, dass der zweite Wärmekraftprozess in einem austauschbaren Modul zusammengefasst ist.

Der abgebildete Vorwärm-Wärmetauscher 38 ist daher ein Flüssigkeitswärmetau­ scher, der nicht nur auf Seiten des zweiten Arbeitsfluids von einem flüssigen Medium durchströmt wird, sondern auch auf seiner wärmeabgebenden Seite. Das Fluid auf der warmen Seite des Vorwärm-Wärmetauschers 38 ist vorzugsweise warmes Wasser, welches in einem Abgaswärmetauscher 40 unter Nutzung des mit etwa 450°C aus der Feuerung austretenden Abgases des ersten Dampferzeu­ gers 12 von ca. 70°C auf ca. 90°C erwärmt wird. Das Abgas wird dabei gleich­ zeitig von 450°C auf ca. 100°C abgekühlt. Der Vorwärm-Wärmetauscher 38 und der Abgaswärmetauscher 40 sind über Leitungen für das Vorwärmfluid miteinander verbunden.

Die der Wärmekraftanlage 10 zugeführte Primärenergie rührt vorzugsweise von fossilen Brennstoffen, die über eine Pumpe 44 dem ersten Dampferzeuger 12 zugeführt werden und in dem ersten Dampferzeuger 12 verbrannt werden. Ein Großteil der dabei freiwerdenden Energie wird in dem ersten Dampferzeuger 12 zum Verdampfen des ersten Arbeitsfluids und Aufheizen desselben auf 370°C benutzt, das beim Verbrennen der fossilen Brennstoffe entstehende Abgas mit einer Temperatur von 450°C wird zu ca. 30% in den ersten Dampferzeuger 12 zurückgeführt, um eine vollständigere Verbrennung und damit eine bessere Nut­ zung des Energiegehaltes des fossilen Brennstoffs zu bewirken und gleichzeitig den Schadstoffanteil im Abgas zu senken. Dem Rezirkulieren des Abgases dient eine Rezirkulationspumpe 44.

Das übrige aus dem Dampferzeuger 12 austretende Abgas wird durch den Ab­ gaswärmetauscher 40 geleitet, man erwärmt dabei das Vorwärmfluid von 70°C auf 90°C und tritt mit einer Temperatur von ca. 100°C aus dem Abgaswärmetau­ scher 40 aus.

Claims (8)

1. Wärmekraftanlage (10) mit einem ersten Dampferzeuger (12) zum Ver­ dampfen eines ersten Arbeitsfluids und einer mit diesem verbundenen ersten Dampfkraftmaschine (14), sowie mit einem zweiten Dampferzeuger (20), der mit der ersten Dampfkraftmaschine (14) und einer zweiten Dampf­ kraftmaschine (32) verbunden und ausgebildet ist, aus der ersten Dampf­ kraftmaschine (14) austretendes erstes Arbeitsfluid zu kühlen und ein zweites Arbeitsfluid zum Antrieb der zweiten Dampfkraftmaschine (32) zu verdampfen, gekennzeichnet durch Wärmetauschmittel (38, 40), die an­ geordnet und ausgebildet sind, das zweite Arbeitsfluid vor dem Eintritt in den zweiten Dampferzeuger (20) mittels Abwärme des ersten Dampferzeu­ gers (12) vorzuwärmen.

2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittel (38, 40) angeordnet und ausgebildet sind, das zweite Arbeitsfluid mittels Abgasabwärme des ersten Dampferzeugers (12) vor­ zuwärmen.

3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittel zwei Wärmetauscher (38, 40) umfassen, welche über eine Wärmetransportfluid miteinander gekoppelt sind und von denen einer als Abgaswärmetauscher (40) zum Erwärmen des Wärmetransport­ fluids durch Abgas des ersten Dampferzeugers (12) angeordnet und ausge­ bildet und der andere als Vorwärm-Wärmetauscher (38) zum Vorwärmen des zweiten Arbeitsfluids mittels des Wärmetransportfluids.

4. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Auskoppel-Wärmetauscher (36), der angeordnet und ausgebildet ist, das zweite Arbeitsfluid zu kühlen und die frei werdende Wärme für die weitere thermische Nutzung auszukoppeln.

5. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die mit dem Kreislauf des zweiten Arbeitsfluids in Verbin­ dung stehenden Bestandteile der Wärmekraftanlage (10) wie der Dampf­ erzeuger (20), die Dampfkraftmaschine (32) der Vorwärm-Wärmetauscher (38) und der Auskoppel-Wärmetauscher (36) zu einem austauschbaren Modul der Wärmekraftanlage (10) zusammengefasst sind.

6. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der zweite Dampferzeuger (20) ein Rieselfilm-Wärmetauscher (20) ist, der ausgebildet ist, das erste Arbeitsfluid in einem Rieselfilm zu kondensieren und die Kondensationswärme durch eine wärmeleitende Trennwand auf das zweite Arbeitsfluid zu übertragen, um dieses zu ver­ dampfen.

7. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das erste Arbeitsfluid Wasser und das zweite Arbeitsfluid ein organisches Fluid ist.

8. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das zweite Arbeitsfluid eine Siedetemperatur zwischen 70°C und 90°C besitzt.