DE102005045333A1 - Thermal power arrangement used in power station technology comprises a heat pump with a Carnot process running to the left in combination with the Clausius-Rankine process to replace a heat source and a cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
Das technische Gebiet, zu dem die Erfindung gehört, ist die Elektrische Anlagen- oder Kraftwerkstechnik.The technical field to which the invention belongs is the or power plant technology.
Der Stand der Technik (Bild 1) verwendet, wie bekannt, für die Gewinnung elektrischer Energie hauptsächlich Wärmekraftwerke und hiervon jene, die Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas in elektrische Energie umwandeln. The prior art (Figure 1), as is known, uses primarily thermal power plants for the production of electrical energy, and those which convert fuels such as coal, oil and gas into electrical energy ,
Hierbei nimmt der Clausius-Rankine-Kreisprozess für Wasserdampf mittels eines Verdampfers Wärmeenergie aus einem fossilbeheizten Dampferzeuger (B in Bild 1) auf, die er einer Turbine mit Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zuführt (C). Das aus der Turbine austretende Dampf-Kondensat-Gemisch wird in einem Kühlsystem verflüssigt (D), wobei die Kondensationswärme an die Umgebung abgegeben wird. Das im Kreisprozess verbleibende Wasser wird von einer Pumpe (A) auf den Verdampferdruck gebracht und beginnt hier den nächsten der sich fortlaufend wiederholenden Zyklen.in this connection takes the Clausius-Rankine cycle for water vapor by means of a Evaporator heat energy from a fossil-fired steam generator (B in Figure 1) on which he a turbine with generator for generating electrical energy supplies (C). The steam-condensate mixture exiting the turbine is in a cooling system liquefied (D), where the heat of condensation is delivered to the environment. The remaining in the cycle Water is brought from a pump (A) to the evaporator pressure and starts the next one here the repetitive cycles.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht zum einen in der Umweltbelastung durch Rauch, Asche, CO2, SO2 NO, Kühlwasserverbrauch, Abwärme, als auch in den stark ansteigenden Brennstoffpreisen und dem weltweit steigenden Energiebedarf bei abnehmendem Ressourcenbestand. Kraftwerke regenerativer Energiequellen sind standort- und klimabezogen eingeschränkt.The problem underlying the invention is on the one hand in the environmental impact of smoke, ash, CO 2 , SO 2 NO, cooling water consumption, waste heat, as well as in the sharply rising fuel prices and the world's increasing energy demand with decreasing resource stock. Power plants of renewable energy sources are limited in terms of location and climate.
Die vorliegende Erfindung einer Kreisprozess-Wärmekraftanlage besteht aus einem Paar von je einem unvollständigen links- sowie rechtsläufigen Kreisprozess mit der Zusammensetzung der aus dem Stand der Technik übernommenen Zustandspunkte, in der Reihenfolge 1-2-3-4-A-B-C-D-1.The present invention of a cycle thermal power plant consists of a pair of one incomplete each left and right-handed Circular process with the composition of the prior art State points, in the order 1-2-3-4-A-B-C-D-1.
Die Zahlen stehen für linksläufig, die Buchstaben, zur Unterscheidung, für rechtsläufig (Bild 2).The Numbers stand for counter-clockwise, the letters, for distinction, for right-hand (Fig. 2).
Die Abschnitte 4-1, Verdampfer und D-A, Kondensator, die jeweils zu einem vollstänigen Kreisprozess gehören, entfallen. Der gegenwärtig in der Kraftwerkstechnik verwendete rechtsläufige Clausius-Rankine-Kreisprozess wird unter Verzicht auf die Strecke D-A mit einem linksläufigen Wärmepumpen-Kreisprozess, unter Wegfall der Strecke 4-1, in den Punkten 4-A und D-1 mittels Flüssigkeitssammler und Flüssigkeitsabscheider verbunden. Das Arbeitsmittel, Wasser bzw. Wasserdampf, durchläuft die acht Zustandspunkte in der oben angegebenen Reighenfolge. Hierbei durchströmt der Dampf den Kondensator 2-3, entspannt in der Adiabate 3-4 mittels einer Turbine als Entspannungsmaschine in den Flüssigkeitssammler 4, aus dem die Pumpe A für den rechtsläufigen Teil das Wasser ansaugt und auf den Verdampferdruck bringt, das in B-C verdampft und die Wärme von 2-3 aufnimmt, in C-D mittels Turbine in den Flüssigkeitsabscheider 1 bis auf 100°C/1,01 bar entspannt und erreicht somit den Ausgangspunkt, wo der Verdichter 1 bei 100°C/1,01 bar Dampf für den folgenden Zyklus ansaugt.The Sections 4-1, evaporator and D-A, condenser, each too a complete one Belonging to the cycle process, omitted. The present used in power plant technology right-handed Clausius-Rankine cycle is waiving the route D-A with a left-turn heat pump cycle, under Elimination of the route 4-1, in the points 4-A and D-1 by means of liquid collector and liquid separators connected. The working medium, water or water vapor, passes through the eight state points in the order of priority given above. in this connection flows through steam the condenser 2-3, relax in the adiabatic 3-4 by means of a turbine as a relaxation machine in the liquid collector 4, from the the pump A for the right-handed Part the water sucks and brings to the evaporator pressure, the evaporated in B-C and the heat of 2-3 absorbs in C-D by means of turbine in the liquid separator 1 up to 100 ° C / 1.01 bar relaxes and thus reaches the starting point where the compressor 1 at 100 ° C / 1.01 bar steam for sucks the next cycle.
Die in dieser Erfindung verwendete Schaltung (Bild 2 und 3) vermeidet den Einsatz eines erheblich aufwändigeren Wärmepumpensatzes in Kaskadenschaltung zwischen dem Kondensator D-A, auf den wir in diesem Kreisprozess verzichtet haben und dem Verdampfer B-C, um die Kondensationswärme aufzunehmen und auf die Verdampfertemperatur zu verdichten, mit allen dazugehörigen Bauteilen wie Wärmeaustauscher u.a.The circuit used in this invention (Figures 2 and 3) the use of a considerably more elaborate heat pump set in cascade connection between the capacitor D-A, which we refer to in this Circuit process have omitted and the evaporator B-C to absorb the condensation heat and to compress to the evaporator temperature, with all associated components such as heat exchangers and the like
Mit einem weiteren Kreisprozess 1'-2'-3'-4'-A'-B'-C'-D'-1' wird durch die Rückgewinnung auch der Kondensationswärme aus dem Abdampf der Turbine 3-4 und deren Übertragung auf A-B, der autarke Betrieb der Wärmekraftanlage gewährleistet (Bild 2 und 4).With Another cycle 1'-2'-3'-4'-A'-B'-C'-D'-1 'is by the recovery also the condensation heat from the exhaust steam of the turbine 3-4 and their transfer to A-B, the self-sufficient Operation of the thermal power plant guaranteed (Picture 2 and 4).
Die Wärmekraftanlage in der vorliegenden Erfindung besteht überwiegend aus Anlagenteilen, die in der elektrischen Anlagentechnik und Prozessgasindustrie zum Stand der Technik gehören, in der vorgeschlagenen Anordnung für die Stromerzeugung gegenwärtig jedoch nicht vorkommen. Das Know-how der Auslegung, Herstellung, Montage, Inbetriebnahme und Betrieb dieser hier eingesetzten Anlagenteile sowie die jeweiligen Bedienungs- und Sicherheitshinweise der Hersteller haben auch in dieser Anordnung Gültigkeit.The thermal power plant in the present invention consists mainly of plant parts, which are in the electrical system technology and process gas industry belong to the state of the art, but currently do not occur in the proposed arrangement for power generation. The know-how of the design, manufacture The installation, installation, commissioning and operation of the system components used here, as well as the respective operating and safety instructions of the manufacturer, are also valid in this order.
Die Anordnung der Anlagenteile in der vorliegenden Erfindung ist, wie für den Clausius-Rankine-(C.-R.-) Kreisprozess, auch für den Organic-Rankine-Cycle (ORC.), den Kalina-Prozess und andere für diese Anwendung geeignete Kreisprozesse anwendbar.The arrangement of the plant parts in the present invention is, as for the Clausius-Rankine (C.R.) cycle, also for the Organic Rankine cycle (ORC.), the Kalina process and other circular processes suitable for this application.
Für die Auswahl der Bauteile und für die Anfertigung der Kraftanlage sind gehobene Standards empfohlen, die auf Funktionssicherheit, langen Maschinenlaufzeiten, geringem Wartungsaufwand in möglichst großen Abständen und einem hohen Wirkungsgrad bezüglich der Stromausbeute hin ausgerichtet sind. Bezüglich der Regeln sorgsamer Auslegung von Wärmepumpen allgemein, hinsichtlich geringerer als bei Kältemaschinen übliche Strömungswiderstände, reichlicher als bei Kältemaschinen üblich bemessener Wärmeaustauscherflächen und deren Anordnung in einer dem LORENZ-Prozess angenäherten Schaltung, dass diese Regeln, die schlechthin die Wärmepumpenliteratur prägen, erst recht bei der Ausführung einer in einem Kraftwerk eingesetzten Wärmepumpe Beachtung finden, insoweit sie keine dem Bestreben, Strom zu erzeugen, zuwiderlaufende Wirkung haben und eine nach Möglichkeit hohe Leistungszahl bzw. eine ertragreichere Stromproduktion ergeben.For the selection of components and for the production of the power plant, high standards are recommended, which are geared to functional reliability, long machine running times, low maintenance in the largest possible distances and a high efficiency in terms of current efficiency. Regarding the rules of careful design of heat pumps in general, in terms of lower than in refrigerators usual flow resistance, more abundant than in refrigerators usual sized heat exchanger surfaces and their arrangement in a the LORENZ process Approximated circuit that these rules that characterize the heat pump literature, especially in the execution of a heat pump used in a power plant, attention, insofar as they have no desire to generate electricity, counteracting effect and have a high coefficient of performance and a higher yielding if possible Produce electricity.
Die Leistung einer wie oben beschriebenen Einheit ist durch die Leistung der Verdichter bestimmt. Der derzeit größte, dem Verfasser dieser Beschreibung bekannte, wasserdampfverträgliche und volumenstromregelbare Prozessgas-Schraubenverdichter, von der Aerzener Maschinenfabrik GmbH D-31556 Aerzen hergestellt, hat eine Förderleistung von maximal 120 000 m3/h. Im Zusammenschluß mit einem Clausius-Rankine-Kreisprozessteil, wie hier verwendet, ist eine Erzeugung nutzbarer elektrischer Energie, der Berechnung auf den Seiten 4 und 5 zufolge, etwa in Höhe der Verdichter-Leistungsaufnahme möglich. Kraftwerke können aus mehreren Wärmekraftanlagen der vorgestellten Art zusammengestellt werden.The performance of a unit as described above is determined by the capacity of the compressors. The largest currently known to the author of this description, water vapor-compatible and volume flow adjustable process gas screw compressor, manufactured by Aerzener Maschinenfabrik GmbH D-31556 Aerzen, has a maximum flow rate of 120 000 m 3 / h. In conjunction with a Rankine cycle process part as used herein, generation of usable electrical energy, as calculated on pages 4 and 5, is possible at about the level of compressor power consumption. Power plants can be assembled from several thermal power plants of the type presented.
Die
Kreisprozess-Wärmekraftanlage
wird mit Anlasser gestartet. Das Anlassen einer betriebsbereit vorbereiteten
Wärmekraftanlage
kann folgendermaßen
erfolgen:
Im Falle eines vorhandenen Netzanschlusses, in das
der erzeugte Strom eingespeist werden soll, kann das Anlassen mit
Strom aus dem Netz erfolgen.The cycle thermal power plant is started with starter. Starting a ready-to-use thermal power plant can be done as follows:
In the case of an existing grid connection, in which the generated power is to be fed, the starting can be done with power from the grid.
Handelt es sich um Inselbetrieb, ist ein Anlasser erforderlich. Der Anlaßvorgang bei Schraubenverdichtern dauert aufgrund der thermischen Trägheit der Anlagenmasse länger als bei Verbrennungskraftmaschinen, die spontan zünden. Der Anlasser wird dementsprechend länger beansprucht. Bei größeren Wärmekraftanlagen werden deshalb Baugrößen mit abgestufter Leistung gewählt. Die kleinste Anlage kann z.B. sowohl mit Elektromotor und mit z.B. einem Gasmotor als Starter ausgerüstet werden, wobei der Gasmotor nach erfolgtem Start ausgekuppelt wird. Die kleinste, zuerst laufende Anlage startet die nächstgroße Anlage, diese wieder die nächste und so fort bis zur größten Anlage. Das setzt voraus, dass die Anlagengrößen entsprechend der erforderlichen Abstufung ausgelegt werden. Da die Verdichter bis auf ca. 40% der Nennleistung herunterregelbar sind, werden sie mit ihrer kleinsten Leistung gestartet und danach hochgefahren, um die nächste Anlage zu starten. Diese Reihenfolge empfiehlt sich grundsätzlich auch für den Aufbau größerer Kraftwerke.These It is island operation, a starter is required. The starting process in screw compressors takes due to the thermal inertia of the System mass longer as in internal combustion engines that ignite spontaneously. Of the Starter will be longer accordingly claimed. For larger thermal power plants are therefore sizes with Graded performance selected. The smallest plant may e.g. both with electric motor and with e.g. a gas engine are equipped as a starter, the gas engine is disengaged after a successful start. The smallest, first running Plant starts the next plant, this again the next and so on to the largest facility. This assumes that the plant sizes correspond to the required Grading be interpreted. Since the compressors up to approx. 40% of the Nominal power are adjustable down, they are with their smallest Power started and then started up to the next plant to start. This order is generally recommended for the Construction of larger power plants.
Da der Leistungsbedarf im Tages-, Wochen- und Jahresverlauf schwankt und die Anlagenleistung über große Spannen hinweg mitunter kurzfristig regelbar sein muß, sollte auch eine nach Vorschrift oder geschätztem Bedarf ausgelegte Reservekapazität für spontanen Einsatz verfügbar sein.There the demand for power fluctuates during the course of the day, the week and the year and plant performance over large margins sometimes must be regulated at short notice, should also be a rule or appreciated Needed reserve capacity for spontaneous Insert available be.
Die folgenden Berechnungsblätter und Zeichnungen ermöglichen einen Einblick in den Aufbau des Kreisprozesses mit 8 Zustandspunkten. Das Kernstück des Moduls ist das große Verdichteraggregat 1. Es ist das größte von dreizehn Baugrößen dieser Type im Herstellerprogramm.The following calculation sheets and allow drawings an insight into the structure of the cycle with 8 state points. The centerpiece the module is the big one Compressor Unit 1. It is the largest of thirteen sizes of these Type in the manufacturer program.
Ein weiterer Verdichter 2, der hier Ammoniak als Arbeitsmittel verwendet, ist kleiner.One another compressor 2, which uses ammonia as a working medium here, is smaller.
Die Wärmepumpen 1 und 2 erhalten untypischerweise zur Entspannung auf den Adiabaten 3-4 und 3'-4', die wir der Siedelinie folgen lassen, je eine Turbine mit Generator (Bild 2). Rechnerisch reicht die innere Energie auf dieser Strecke aus, um die Flüssigkeit zu verdampfen. In der Praxis wird diese Lösung vermieden, mit der Begründung der geringen Adiabatenleistung, die den Aufwand nicht lohne.The Heat pumps 1 and 2 are atypical for relaxation on the adiabatic 3-4 and 3'-4 ', which we the Siedelinie follow, each a turbine with generator (Figure 2). arithmetical The internal energy on this route is enough to absorb the liquid to evaporate. In practice, this solution is avoided, with the justification of low adiabatic performance, which does not pay the effort.
Im Industriemaßstab jedoch ist es lohnenswert. Wir überdimensionieren den Verdampfer, indem wir ihn verlägern und/oder den Querschnitt weiter vergrößern.in the industrial scale however, it is worthwhile. We oversize the evaporator by spreading it and / or the cross-section continue to enlarge.
Indem
diese Wärmekraftanlage
ihre eigene Abwärme
aufbereitet und einsetzt, stellt sie eine innere Kälte- und
Wärme-Kopplung
(innere KWK) dar. Vorteile
und Einsatzmöglichkeiten
der Kreisprozess-Wärmekraftanlage
mit interner KWK:
- 6) Brockhaus Enzyklopedie in 24 Bd., 19.Aufl. Bd. 4 1987, S.600
- 7) Taschenbuch f. Heizung + Klimatechnik 2000, Recknagel, Sprenger, Schramek, R. Oldenbourg Verlag München Wien 69.Auflage 1999, S.778.
- 6 ) Brockhaus Encyclopedia in 24 Bd., 19th ed. Vol. 4, 1987, p. 600
- 7 ) Paperback f. Heating + air-conditioning technology 2000, Recknagel, Sprenger, Schramek, R. Oldenbourg publishing house Munich Vienna 69.Auflage 1999, S.778.
Berechnungencalculations
1. Wärmepumpen-H2O-Kreisprozess, ohne Verdampfer 1. Heat pump H 2 O cycle process, without evaporator
- 1) Formel aus HANDBUCH DER KÄLTETECHNIK Bd.VI/A, Rudolf Plank, Springer Verl.1969, S.482. 1 ) Formula from HANDBUCH DER KÄLTETECHNIK Bd.VI / A, Rudolf Plank, Springer Verl. 1969, S.482.
2. Clausius-Rankine-H2O-Kreisprozess ohne Kondensator 2. Clausius Rankine H 2 O cycle process without capacitor
- 6) Formel aus Brockhaus-Enzyklopädie in 24 Bd., 19.Auflage Bd. 4 1987, S.600. 6 ) Formula from Brockhaus encyclopedia in 24 Bd., 19th edition Bd. 4 1987, p. 600.
- 7) Formel aus Taschenb.f.Heizg.+Klimatechn.2000, Recknagel u. Sprenger, S.778. 7 ) Formula from Taschenb.f.Heizg. + Klimatechn.2000, Recknagel u. Sprenger, p.
3. Wärmepumpe 2 -NH3- Kreisprozess ohne Verdampfer 3. Heat pump 2 -NH 3 - cycle without evaporator
- 1) Formel aus HANDBUCH DER KÄLTETECHNIK Bd.VI/A, Rudolf Plank, Springer Verl.1969, S.482. 1 ) Formula from HANDBUCH DER KÄLTETECHNIK Bd.VI / A, Rudolf Plank, Springer Verl. 1969, S.482.
4. Kalina-NH3-Kreisprozess ohne Kondensator 4. Kalina NH 3 cycle process without capacitor
- 3) Formel aus Brockhaus-Enzyklopädie in 24 Bd., 19.Auflage Bd. 4 1987, S.600. 3 ) Formula from Brockhaus Encyclopedia in 24 Bd., 19th edition Bd. 4 1987, p. 600.
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DE200510053212 DE102005053212A1 (en) | 2005-09-22 | 2005-11-08 | Thermal power plant-cycle has adiabatic curve which is arranged to right by boiling curve into area of saturation line |
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ID=37852460
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DE (1) | DE102005045333A1 (en) |
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2005
- 2005-09-22 DE DE200510045333 patent/DE102005045333A1/en not_active Withdrawn
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