DE10029732A1 - Thermal power plant has heat exchanger arrangement arranged to heat second working fluid before it enters second vapor generator using waste heat from first vapor generator - Google Patents
Thermal power plant has heat exchanger arrangement arranged to heat second working fluid before it enters second vapor generator using waste heat from first vapor generatorInfo
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Abstract
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.The invention relates to a thermal power plant with a first steam generator for Vaporizing a first working fluid and one with the first steam generator connected first steam engine, as well as with a second steam generator ger that with the first steam engine and a second steam engine is connected and formed, emerging from the first steam engine to cool the first working fluid and a second working fluid to drive the second Vaporizing steam engine.
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.Steam power plants that work according to the Rankine process, for example basically known. To increase the overall efficiency of such heat Power plants, for example, from DE 34 20 293 and US 4,760,705 known to connect two thermal power processes in series so that the Heat exiting from a first heat engine of the first process the first working fluid to evaporate the second working fluid for the second Thermal power process is used. In this way, one can Cooling the first working fluid on the outlet side of the first thermal power unit Achieve machine, so that there is a larger temperature and pressure difference between The first working fluid enters and leaves the first heat engine there, with the result that the first thermal power process with higher mechanical efficiency expires. On the other hand, this way Some of the heat energy extracted from the first thermal power process in further mechanical energy can be implemented by being in a second Thermal power process used to drive a second heat engine becomes. The second thermal power process is preferably an organic ranki ne process (organic rankine cycle), which is based on an organic working fluid lower temperature level works.
Es besteht das Bedürfnis, den Wirkungsgrad einer derartigen Wärmekraftanlage weiter zu erhöhen.There is a need for the efficiency of such a thermal power plant further increase.
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.This goal is inventively ge with a thermal power plant mentioned type achieved by providing a heat exchanger to the second Ar beitsfluid before entering the second steam generator by means of waste heat from the preheat the first steam generator.
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.By the second working fluid through the waste heat of the first steam generator preheated, this waste heat, which would otherwise be unused, can also be used become. This is possible because the second thermal power process is at lower temp raturnevels expires than the first thermal power process. The temperature level of the Waste heat from the first steam generator is sufficiently high to heat in the second power process to be used.
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. The heat exchanger is preferably for preheating the second working fluid arranged and designed with respect to the first steam generator so that it Exhaust gas from the first heat exchanger cools and the heat thus obtained supplies second working fluid.
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 the second thermal power process there is preferably a second heat exchanger for the second working fluid on the outlet side of the second heat engine arranged, which is designed to cool the second working fluid and the freely Ending heat for further thermal use, for example space heating, to use.
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.In a particularly preferred embodiment of the thermal power plant, the second steam generator is a falling film heat exchanger that is formed from the first working fluid escaping into a trickle film to condense and the heat of condensation through a thermally conductive separation transferred to the second working fluid to evaporate it. The second working fluid is already in the second steam generator before evaporation preheated by the exhaust gas heat of the first steam generator. It has demonstrated that the trickle film heat exchanger is particularly effective Heat transfer from the first thermal power process to the second thermal power process.
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.The first working fluid is preferably water and the second working fluid is before preferably an organic fluid. This organic fluid preferably has one Boiling temperature of approx. 80 ° C.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles mithilfe der Figur näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine Wärmekraftanlage in schematischer Dar stellung.The invention will now be described in more detail using an exemplary embodiment with the aid of the figure are explained. The figure shows a thermal power plant in a schematic Dar position.
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. In the figure, only the essential components of a thermal power plant 10 are shown, namely a first steam generator 12 , which is designed in a known manner for firing by fossil fuels and heats a first working fluid, namely water to approximately 370 ° C. The water emerges from the steam generator 12 as superheated steam at a pressure of 28 bar and is supplied to a steam engine or a steam turbine 14 via control valves (not shown).
Die Dampfturbine 14 ist mit einem Generator 16 verbunden, der die mechanische Arbeit der Dampfturbine 14 in elektrische Energie umwandelt.The steam turbine 14 is connected to a generator 16 , which converts the mechanical work of the steam turbine 14 into electrical energy.
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.In the steam turbine 14 , the water vapor cools down to a temperature of, for example, 111.4 ° C. This corresponds to a steam pressure of 1.5 bar. The water vapor emerging from the steam turbine 14 is fed to a trickle film condenser 20 via a multi-way valve 18 . In other operating states, the water vapor emerging from the steam turbine can also be supplied to an emergency cooling system 22 in a different position of the multi-way valve 18 .
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.Depending on the position of the multi-way valve 18 , the water vapor emerging from the steam turbine 14 is condensed in the falling film condenser 20 or the emergency cooling 22 to about 90 ° C. warm water. The condensate of the first working fluid, i.e. liquid water, is collected in a condensate tank 24 and fed to an intermediate tank 28 via pumps 26 . From this intermediate tank, the water is returned to the first steam generator 12 via two feed pumps 30 . For this purpose, the feed pumps 30 must overcome the pressure of 28 bar prevailing in the first steam generator 10 , that is to say pump the feed water at 28 bar into the first steam generator.
Damit ist der Kreislauf des ersten Arbeitsfluids, nämlich Wasser, beschrieben. Der Kreislauf des ersten Arbeitsfluids stellt einen ersten Wärmekraftprozess dar.This describes the cycle of the first working fluid, namely water. The The cycle of the first working fluid represents a first thermal power process.
Ein vom Kreislauf des ersten Arbeitsfluids unabhängiger Kreislauf eines zweiten, organischen Arbeitsfluids stellt einen zweiten, mit dem ersten gekoppelten Wärme kraftprozess dar.A circuit of a second which is independent of the circuit of the first working fluid, organic working fluid provides a second, coupled with the first heat power process.
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.The second working fluid is an organic fluid with a boiling temperature of around 80 ° C. This working fluid is heated in the falling film condenser 20 to about 105 ° C. by the heat of condensation of the first working fluid and thus evaporated. For this purpose, a thermally conductive partition wall is provided in the falling film condenser 20 , which completely separates the circuit of the first working fluid from that of the second working fluid. On one side, the heat-conducting partition wall is acted upon by the first working fluid, the water vapor emerging from the steam turbine 14 . At the same time, the partition on its other side is cooled by the second working fluid. The water vapor condenses on one side of the partition and is deposited as a trickle film. On the other side of the partition, liquid second working fluid is first evaporated by means of the heat of condensation of the first working fluid.
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.The second working fluid emerges as steam at a temperature of approximately 105 ° C. from the falling film condenser 20 and is supplied to a second heat engine designed as a steam engine 32 , also a steam engine or a steam turbine. In this the steam of the second working fluid relaxes and cools down to a temperature of approx. 70 ° C. The energy released is converted into mechanical energy in the second steam engine 32 . The second steam engine 32 is mechanically coupled to a generator 34 , which converts the mechanical energy into electrical energy.
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. The second working fluid emerging from the second steaming machine is fed to a residual heat exchanger 36 . In this, the second working fluid emits heat, for example to heating or process water, so that the heat can be used, for example, for home heating or hot water supply. The heating or process water enters on a second side of the residual heat exchanger 36 at a temperature of 50 ° C and is heated to about 70 ° C. On the other side of the residual heat exchanger 36 , the second working fluid is cooled to approximately 55 ° C. and emerges from the residual heat exchanger 36 at this temperature. The 55 ° C warm second working fluid is fed to a preheating heat exchanger 38 , in which it is preheated from 55 ° C to 80 ° C. The pre-heated second working fluid is then fed to the falling film condenser 20 , in which it is evaporated again.
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.This also describes the cycle of the second working fluid and thus the second thermal power process. The preheating heat exchanger 38 can be arranged directly in an exhaust tract 40 of a furnace for the first steam generator 12 .
Die Wärmekraftanlage 10 ist in der in der Figur abgebildeten Form jedoch so konzipiert, dass der zweite Wärmekraftprozess in einem austauschbaren Modul zusammengefasst ist.However, the thermal power plant 10 is designed in the form shown in the figure so that the second thermal power process is combined in an exchangeable module.
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.The preheating heat exchanger 38 shown is therefore a liquid heat exchanger which is flowed through not only on the side of the second working fluid by a liquid medium, but also on its heat-emitting side. The fluid on the warm side of the preheating heat exchanger 38 is preferably warm water, which in an exhaust gas heat exchanger 40 using the exhaust gas emerging from the furnace at approximately 450 ° C. of the first steam generator 12 from approximately 70 ° C. to approximately 90 ° C is heated. The exhaust gas is simultaneously cooled from 450 ° C to approximately 100 ° C. The preheating heat exchanger 38 and the exhaust gas heat exchanger 40 are connected to one another via lines for the preheating fluid.
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. The primary energy supplied to the thermal power plant 10 preferably stems from fossil fuels which are fed to the first steam generator 12 via a pump 44 and are burned in the first steam generator 12 . A large part of the energy released in this way is used in the first steam generator 12 to evaporate the first working fluid and heat it to 370.degree. C., the exhaust gas with a temperature of 450.degree Steam generator 12 returned to effect a more complete combustion and thus a better utilization of the energy content of the fossil fuel and at the same time to reduce the proportion of pollutants in the exhaust gas. A recirculation pump 44 serves to recirculate the exhaust gas.
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.The rest of the exhaust gas emerging from the steam generator 12 is passed through the gas heat exchanger 40 , the preheating fluid being heated from 70 ° C. to 90 ° C. and exiting at a temperature of approx. 100 ° C. from the exhaust gas heat exchanger 40 .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |