DE102008034061A1

DE102008034061A1 - Luftgekühlte Oberflächenkondensationsanlage. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird Kondensat in einen Mischkondensator, einbaut in die Turbinenabdampfleitung, versprüht.

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Publication number: DE102008034061A1
Application number: DE200810034061
Authority: DE
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Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird Kondensat in einen Mischkondensator, eingebaut in die Turbinenabdampfleitung, versprüht.
Durch Versprühen von Kondensat in einen Mischkondensator, installiert in den Dampfstrom zwischen Turbine und dem Kondensator, wird die Kondensation des Dampfes durch die Mischkondensation deutlich gesteigert. Die Anwendung des vorgestellten Kondensators gestattet es, den Wirkungsgrad von geplanten, im Bau befindlichen und vorhandenen luftgekühlten Dampfkraftwerken ohne aufwändige Veränderungen deutlich zu erhöhen.

Description

Luftgekühlte Oberflächenkondensationsanlage. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird Kondensat in einen Mischkondensator, einbaut in die Turbinenabdampfleitung, versprüht.
Stand der Technik:
Zur Dampfkondensation in Wärmekraftwerken werden hauptsächlich wassergekühlte Oberflächenkondensatoren eingesetzt. Luftkondensatoren kommen dann zur Anwendung, wenn kein oder nicht ausreichend Kühlwasser zur Verfügung steht.
Die Nachteile eines Luftkondensators im Vergleich mit einem wassergekühlten Kondensator sind: die großen Abmessungen, die deutlich höhere Turbinenabdampftemperatur t_B = 75°C bei einem Dampfdruck von p_B = 386 mbar mit einem elektrischen Wirkungsgrad von η = ≤ 0,3, denn Luftkondensatoren arbeiten nur mit der Trockentemperatur der Luft. Deshalb erreichen Kraftwerke mit wassergekühlten Turbinenkondensatoren durch die Verdunstungskühlung eine Kondensatortemperatur von 30°C mit einem Kondensatordruck von 44 mbar und besitzen gegenüber Luftkondensatoren einen 1,4fach höheren Wirkungsgrad mit η = 0,43.
Verbesserung:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte, luftgekühlte Kondensationsanlage zu schaffen. Durch die erfindungsgemäße Vorkondensationsanlage wird der Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken durch die Kondensation einer Teildampfmenge mittels Versprühen von Kondensat in einem abgetrennten Rohrabschnitt, zwischen der Turbine und dem Kondensator, durch die Mischkondensation gesteigert.
Am Beispiel eines Kraftwerkes mit einer Nettoleistung von 600 MW, soll die Verbesserung erläutert werden. Der Durchmesser der Abdampfleitung beträgt 6000 mm. Die Mischkondensatorlänge wird mit 15 m angenommen und der Rohrabschnitt in welchem der Mischkondensator untergebracht ist, besitzt einen ^⊙ von 7 m, siehe 1.
370 kg Dampf strömen mit einer Geschwindigkeit von 40 m/s bei einer Temperatur von 75°C und einem Druck von 386 mbar aus der Turbine in die Abdampfleitung. Entsprechend den Flächenverhältnissen strömen ~17,5% von 370 kg = 65 kg Dampf pro Sekunde in die Eintrittsöffnung des Mischkondensators. Durch Versprühen von 170 kg/s Kondensat in den Dampfstrom des Mischkondensators wird dieser abgekühlt und kondensiert. Die Austrittsöffnung des Mischkondensators ist wesentlich kleiner, durch sie strömen die nichtkondensierbaren Gase aus dem Mischkondensator in die Abdampfleitung zurück.
Im Gegensatz zur homogenen Kondensation, bei dem der Dampf nur durch eine zufällige Keimbildung bei großer Übersättigung im Kontakt mit einer kühleren Oberfläche kondensiert, findet hier die Verflüssigung des Dampfes durch die heterogene Kondensation an den Kondensationskeimen, dem versprühten Kondensat, statt. Nach J. H. Kopp, in Vauck/Müller, Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik ergeben 1 kg Wasser in Tropfen mit einem ^⊙ von 0,6 mm verdüst, eine spezifische Oberfläche von 10 m²/kg Wasser mit einer Wärmedurchgangszahl von 100000 W/(m²K) und nach 0,24 m Flugbahn erreichen die Tropfen etwa Siedetemperatur.
Das Verdüsen von 170 kg/s = 46% der umlaufenden Kondensatmasse von 370 kg/s ergeben demnach eine Wärme-austauschoberfläche von 10 m²/kg × 170 kg/s = 1700 m²/s.
Die im Dampfstrom enthaltenen Wasserdampfmoleküle treffen auf das versprühte Kondensat, geben ihre Wärme an die kälteren Wassertropfen ab und kondensieren an ihnen. Die aus dem versprühten Wasser und dem kondensierten Dampf entstandenen Tropfen mit einem Durchmesser d = > 0,6 mm – siehe J. H. Kopp – sind bei dem vorliegenden Dampfdruck von 386 mbar ausreichend stabil und beständig, sie verdampfen nicht. In 1 sind schematisch die Dampf- und Kondensatleitungen und der Mischkondensator im Längsschnitt, mit der Verringerung des Rohrdurchmessers von 7 m auf 6 m analog der Abnahme des Dampfvolumens durch die Kondensation, dargestellt. 2 zeigt im Querschnitt den Mischkondensator in der Abdampfleitung, ferner sind die wichtigsten Maße und die Flächen der ADL bei 7000 mm ^⌀ mit 38,485 m² und die des Mischkondensators mit 6,75 m² aufgeführt. Das Flächenverhältnis des Mischkondensators zur Abdampfleitung beträgt 17,5%.
3 zeigt den Mischkondensator im Querschnitt. Die Bedüsung ist mit kräftigen, stabilen Wasserstrahlen den Dampfstrom durchdringenden Wasserstrahlen dargestellt. Sie erreichen den gesamten Dampfstrom, durch-mischen ihn, übersättigen den Dampf, so dass der Dampf partiell kondensiert. Die Düsen mit diesem Sprühbild werden im vorderen Bereich des Mischkondensators angebracht.
Die 4 zeigt den gleichen Querschnitt mit einer Bedüsung in welcher die Wasserstrahlen den Dampfstrom nicht durchdringen, sondern diesen nur auf Außenseite besprühen. Diese Düsen werden vorzugsweise im sich verjüngenden Teil des Mischkondensators installiert.
24,7 m³ Dampf durchströmen den Mischkondensator in 0,38 Sekunden, der Verweilzeit im Mischkondensator, und kondensieren an den versprühten 64,6 kg Kondensat, d. h. 1 kg Dampf wird mit 2,6 kg Kondensat bedüst, kondensiert an dem versprühten Wasser und gelangt mit dem übrigen Kondensat in den Kondensatsammelbehälter.
Da bei Gemischen von Wasser sich die Enthalpien im Verhältnis ihrer Mischungsanteile addieren, wird die Kondensationsenthalpie in die Gesamtkondensatmenge überführt.

Der Dampf im Mischkondensator über der Wasseroberfläche ist gesättigt, die Kondensattemperatur liegt unter der Dampftemperatur und zusätzlich werden die die energiereichen Wassermoleküle durch die zwischenmolekularen Kräfte der Wasserstoffbrückenbindungen am verlassen der Flüssigkeit gehindert. Das Kondensat kann nicht verdunsten, sondern sammelt sich am in der Abdampfleitung und fließt in den Hotwell. Energiebilanz – Kondensat nach dem Mischkondensator

Q_D – Kondensat aus Dampf = ~65 kg/s [m''], h'' = 2635 kJ/kg (Dampf) Q_K – Kühlkondensat = 170 kg/s [m'], h' = 314 kJ/kg (Wasser)

h_Kond = ((h''·Q_D + (h'·O_K))/(Q_D + Q_K) = ((2635 kJ/kg·65 kg/s) + (314 kJ/kg·170 kg/s))/235 kg/s = 956 kJ/kg U = 2161 kJ/kg ≙ 44% der spezifischen inneren Energiedifferenz von Wasser und Dampf = 956 kJ/kg < h = 2321 kJ/kg ≙ 41% der Enthalpiedifferenz von Wasser-Dampf bei 75°C

p = 0,38 bar (75°C)

xMischkondensator = m''/m' + m'' = 65/(170 + 65) = 0,28

xGesamt = 65/(305 + 65) = 0,18

x: = Masse des gesättigten Dampfes/Masse des nassen Dampfes

Schlussfolgerung:

1. 65 kg Dampf kondensieren an dem versprühten Kondensat. Die Kondensationsenthalpie wird in das Kondensat übertragen, denn bei Gemischen von Wasser addieren sich die Enthalpien im Verhältnis ihrer Mischungsanteile. Die sich daraus ergebende Leistungssteigerung beträgt 160388 kW. Siehe Tab. 1 und Diagramm 1.
2. der Abdampfdruck könnte 136 mbar niedrigerer Dampfdruck sein, p = 0,25 bar statt 0,386 bar und die Turbinenleistung würde sich um 40,8 MW erhöhen, siehe Tab. 4.
3. Durch die geringere Dampfmenge, ein Teil des Dampfes wird im Mischkondensator verflüssigt, kann das größere Dampfvolumen mit einer Abdampfleitung, gleicher Abmessungen, zum Luftkühler befördert werden. Der Druckverlust nimmt bei der geraden Rohrleitung sogar ab, siehe Tab. 5.
4. Die in den erfindungsgemäßen Mischkondensator einströmende Dampfmenge von 65 kg/s kondensiert an 170 kg/s Wasser, das im Mischkondensator in den Dampfstrom versprüht wird. Bei diesem Vorgang vermischt sich das 75°C warme Dampfkondensat mit dem 35°grädigen verdüsten Wasser zu einer Kondensatmenge von 235 kg/s mit 46°C bzw. für den Gesamtkondensatstrom von 370 kg/s mit 42°C. Die sich daraus ergebende Leistungs-steigerung beträgt 10888 kW. Siehe Tab. 1
5. Durch Retrofitmaßnahmen, wie die Installation des Mischkondensators wäre es möglich den Wirkungsgrad von vorhandenen Altanlagen signifikant zu erhöhen.
6. Die zukondensierende Dampfmenge von 370 kg/s verringert sich durch die Teilkondensation des Dampfstromes um 65 kg/s bzw. 17,5% auf 305 kg/s. Die Kondensatorfläche kann entsprechend kleiner ausgeführt werden.

1. Kondensatvorwärmung und Enthalpieerhöhung

Q [kg/s] T [°C] Q_Vorwärmung [kJ] Q_Enthalpie [kJ] Q_Gesamt [kJ] t_SPW* [°C]

Dampf 65 40 (75–35) 10903 150624 161527 -

Wasser 170 15,29 46

cp_(75+35)/2 = 4,1875 kJ/K 10,9 MW 1,8%

Tabelle 1

* Kondensat aus Mischkondensator

kg/s	°K	°c
170	308	35
65	348	75
235	319,1	46,1

kg/s°K	°K	°c
135308	308	35
235319	319	46
370315	315	42,0
370308	308	35,0

2. Dampfdruck nach der Turbine

–5 mbar Kondensatordruck bei einem Kraftwerk mit 900 MW = +5 MW nach Fa. Alstom

MW	p [mbar]	MW	%*	* elektr. Wirkungsgrad
900	–5	5	-	Beispiel Fa. Alstom
600	–136	40,8	6,8	Leistungsteigerung aus niedrigerem Dampfdruck
			10,6	1,8	Leistungsteigerung aus Kondensatvorwärmung
			150,6	25,1	Leistungsteigerung aus Enthalpieübertragung
			202	33,7	Gesamtleistungsteigerung
			802	133,7	Gesamtleistung

Tabelle 4 Druckverlust-Vergleich 370 kg/s Dampf t = 75° mit 305 kg/s Dampf t = 65°

Fördermedium:	Sattdampf (75°C)/gasf.	Sattdampf (75°C)/gasf.	Sattdampf (65°C)/gasf.	Sattdampf (65°C)/gasf.
Druck mbar	386	386	250	250
Volumenstrom in m³/h:	5504132	5504132	6819875	6819875
Massenstrom in kg/s:	370	370	305	305
Dichte in kg/m³:	0,242	0,242	0,161	0,161
Dyn. Viskos. in 10–6 kg/ms:	11,43	11,43	11,1	11,1
Rohrbezeichnung:	Rohr: 6000 mm ∅	Bogen 90°	Rohr: 6000 mm ∅	Bogen 90°
Rohrleitungselement/Anzahl:	Kreisrohr/1	Kniestück, kreisförmig/1	Kreisrohr/1	Kniestück, kreisförmig/1
Elementabmessungen:	Rohr: 6000 mm ∅	Rohr: 6000 mm ∅	Rohr: 6000 mm ∅	Rohr: 6000 mm ∅
	Rohrlänge L in m: 100	Winkel 90°	Rohrlänge L in m: 100	Winkel 90°
Strömungsgeschw. in m/s:	54,075	54,075	67,001	67,001
Reynolds-Zahl:	6,87E + 06	6,87E + 06	5,83E + 06	5,83E + 06
Strömungsform:	turbulent	turbulent	turbulent	turbulent
Rohrrauhigkeit in mm:	0,4	0,4	0,4	0,4
Druckverlust in mbar:	0,676	3,036	0,529	3,169
DV-Veränderung in %	-	-	–21,7	4,4

Tabelle 5

Claims

Luftgekühlte Kondensationsanlage mit einem Mischkondensator in der Abdampfleitung in den gekühltes Kondensat in den Turbinenabdampfstrom verdüst wird. Das Kondensat wird zuvor in einer Luftkondensationsanlage, auf 35°C abgekühlt. Es versteht sich, dass alle Abmessungen und alle anderen Werte, wie Temperaturen als Beispielwerte anzusehen sind und hiervon abweichen können.
Luftgekühlte Kondensationsanlage mit einem Mischkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den durch versprühen entstandenen Wassertropfen der Turbinenabdampf in dem Mischkondensator kondensiert und die Kondensationswärme ganz oder teilweise in das Kondensat übertragen wird.
Luftgekühlte Kondensationsanlage mit einem Mischkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdampfdruck nach der Turbine auf 250 mbar abgesenkt werden kann. Die Dampfvolumenzunahme wird durch die geringere Dampfmasse ausgeglichen, der Druckverlust ändert sich nur geringfügig.
Luftgekühlte Kondensationsanlage mit einem Mischkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich 65 kg/s Dampfkondensat mit t = 75°C mit 170 kg/s mit t = 35°C des versprühten Kondensates zu 235 kg/s Wasser mit t = 46°C vermischen. Die Temperatur des Gesamtkondensates von 370 kg/s wird durch die Vorwärmung von 35°C auf 42°C angehoben.