DE102009013570A1

DE102009013570A1 - Kraftwerksanlage mit zwei Kreisläufen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE102009013570A1
Application number: DE102009013570A
Authority: DE
Inventors: Jeldrik Wanka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage (1), umfassend einen Dampferzeuger (15), eine Dampfturbine (18) und eine Dampfleitung (22), die einen Dampfausgang des Dampferzeugers (15) mit einem Eingang der Dampfturbine (18) verbindet, sowie eine Rückleitung (21), die einen Ausgang der Dampfturbine (18) mit einem Speisewassereingang des Dampferzeugers (15) verbindet, wodurch ein erster Kreislauf (17) für einen ersten thermodynamischen Kreisprozess gebildet wird, wobei ein erster Wärmetauscher (30) primärseitig in die Rückleitung (21) und sekundärseitig in einen zweiten Kreislauf (35) für einen zweiten thermodynamischen Kreisprozess geschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kraftwerksanlage (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage, insbesondere eine Kraftwerksanlage mit nachgeschalteter Entsalzungsanlage, und bezieht sich auf die Nutzung der thermischen Energie eines Kondensats im Wasser-Dampf-Kreislauf der Kraftwerksanlage hinter der Entsalzungsanlage. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage.
Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel, es kann nicht ersetzt werden (DIN 2000:2000-10, Zentrale Trinkwasserversorgung – Leitsätze für Anforderungen an Trinkwasser, Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung der Versorgungsanlagen – Technische Regel des DVGW). Auch wenn es Wasser auf der Erde im Überfluss zu geben scheint, kann doch nur ein geringer Anteil der gesamten Wassermenge der Erde als sauberes Trinkwasser verwendet werden. Der Mensch benötigt täglich große Mengen und entnimmt es für unzählige Anwendungen der Natur. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Trinkwasser kommen in Küstenländern auch energie-intensive Meerwasserentsalzungsanlagen zur Trinkwasseraufbereitung zum Einsatz.
Als Meerwasserentsalzung bezeichnet man die Gewinnung von Trinkwasser oder Betriebswasser aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes. Die Entsalzung kann auf verschiedenen Prozessen beruhen, die Salze und Mineralien aus dem Wasser entfernen.
Trinkwasser oder Betriebswasser kann beispielsweise durch eine mehrstufige Entspannungsverdampfung, abgekürzt MSF für die englische Bezeichnung „Multi Stage Flash Evaporation”, also ein thermisches Verfahren, aus Meerwasser gewonnen werden.
Bei diesem Verfahren wird Meerwasser mit der Abwärme eines Kraftwerkes auf eine Temperatur von etwa 115°C erwärmt. Das im so genannten Brine-Heater aufgeheizte Salzwasser verdampft in nachgeschalteten Entspannungsstufen unter Vakuum, der Wasserdampf schlägt sich als Kondensat innerhalb dieser Stufen an mit noch aufzuheizendem Meerwasser als Kühlflüssigkeit gefüllten Rohrleitungen nieder und wird als salzfreies Wasser abgezogen. Das durch den Verdampfungsprozess immer stärker mit Salz angereicherte Wasser wird Brine (Salzlake) genannt und weist einen etwa 50% höheren Salzgehalt gegenüber normalem Meerwasser auf.
Für den Betrieb von Anlagen zur Meerwasserentsalzung werden meistens Dampfturbinen verwendet, deren Abdampf als Wärmequelle für den Destillationsvorgang dient, indem der Kondensator das als Kühlmittel verwendete Meerwasser aufheizt.
Ein gattungsmäßiger Nachteil dieser Anlagen ist, dass ein Heißdampf eines Wasser-Dampf-Kreislaufs in einer Dampfturbine nur soweit expandiert wird, dass eine nachgeschaltete Entsalzungsanlage betrieben werden kann. Das nach der Entsalzungsanlage im Kreislauf anfallende Kondensat wird mit Temperaturen von über 100°C und Drücken von etwa 20 bar in den Dampferzeuger zurückgeführt, d. h. diese Wärme wird nicht zur Stromerzeugung genutzt.
Auch ausgekuppeltes Prozesskondensat wird nicht weiter zur Stromerzeugung genutzt, sondern ebenfalls in den Dampferzeuger zurückgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannte Vorrichtung und das genannte Verfahren weiterzuentwickeln, so dass die im Kondensat enthaltene Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Indem in einer Kraftwerksanlage, umfassend einen Dampferzeuger, eine Dampfturbine und eine Dampfleitung, die einen Dampfausgang des Dampferzeugers mit einem Eingang der Dampfturbine verbindet, sowie eine Rückleitung, die einen Ausgang der Dampfturbine mit einem Speisewassereingang des Dampferzeugers verbindet, wodurch ein erster Kreislauf für einen ersten thermodynamischen Kreisprozess gebildet wird, ein erster Wärmetauscher primärseitig in die Rückleitung geschaltet ist und sekundärseitig in einen zweiten Kreislauf für einen zweiten thermodynamischen Kreisprozess geschaltet ist, wird folgendes erreicht:
Das in Strömungsrichtung eines Arbeitsfluids hinter der Dampfturbine anfallende Kondensat wird nicht ungenutzt in den Dampferzeuger zurückgeführt, sondern die vorhandene Wärme des Kondensats kann in einem weiteren thermodynamischen Kreisprozess genutzt werden.
Vorteilhafter Weise ist eine Kondensatpumpe in die Rückleitung zwischen den ersten Wärmetauscher und den Dampferzeuger geschaltet.
Weiterhin vorteilhaft ist ein zweiter Wärmetauscher, insbesondere als Verdampfer für eine Entsalzungsanlage, in die Rückleitung zwischen die Dampfturbine und den ersten Wärmetauscher geschaltet.
Zweckmäßigerweise ist eine zusätzliche Dampfturbine in den zweiten Kreislauf geschaltet und mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden.
Aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus ist es vorteilhaft, wenn der zweite thermodynamische Kreisprozess ein Organic-Rankine-Kreisprozess (ORC) ist, bei dem Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf betrieben werden. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet. Der jetzt schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen entstehende Dampf kann dann zum Antrieb einer Turbine genutzt werden.
Alternativ hierzu kann es auch vorteilhaft sein, wenn der zweite thermodynamische Kreisprozess ein Kalina-Kreisprozess ist, bei dem die Wärme des Wassers an ein Ammoniak-Wasser-Gemisch abgegeben wird. Wie beim ORC-Prozess wird Wärme an den zweiten Kreislauf übertragen, der über ein niedrig siedendes Medium eine Dampfturbine antreibt. Die Wärmeübertragung erfolgt jedoch nicht durch ein einziges Arbeitsmedium, sondern durch ein Zwei-Stoff-Gemisch aus Ammoniak und Wasser. Im Gegensatz zum reinen Arbeitsmedium wie Wasser siedet das Ammoniak-Wasser-Gemisch über einen großen Temperaturbereich bei vorgegebenem Druck. Es kann deshalb beim Durchströmen des Wärmetauschers mehr Energie übertragen als reine Arbeitsmedien. Entsprechend liegt der Wirkungsgrad eines Kraftwerks mit Kalina-Technik deutlich höher als beim Organic-Rankine-Cycle (ORC) und ermöglicht bereits bei niedrigen Temperaturen gute Wirkungsgrade.
Wegen der unterschiedlichen Siedepunkte der beiden Substanzen entstehen bei der Verdampfung des Zwei-Stoff-Gemischs ein ammoniakreicher Dampf und eine ammoniakarme Flüssigkeit. Der Dampf wird abgetrennt und treibt die Turbine. Anschließend wird er mit der entspannten Flüssigkeit wieder zusammengeführt. Nach der Verflüssigung im Kondensator wird das Stoffgemisch erneut dem Verdampfer zugeleitet. Das Mischungsverhältnis, beider Medien kann beliebig verändert und damit den Kondensat-Temperaturen des ersten thermodynamischen Kreisprozesses angepasst werden. Allerdings ist die Kalina-Technologie teurer als ORC-Anlagen.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Leitung für ein Prozesskondensat eines aus der Dampfleitung, die den Dampferzeuger mit dem Dampfeingang der Dampfturbine verbindet, auskuppelbaren Prozessdampfs zwischen der Dampfturbine und dem erstem Wärmetauscher in die Rückleitung mündet, so dass neben dem in der Dampfturbine entspannten Dampf auch die Wärme des Prozess dampfs für die Stromerzeugung im zweiten thermodynamischen Kreisprozess genutzt werden kann.
Im erfinderischen Verfahren wird eine thermische Energie eines Kondensats des Wasser-Dampf-Kreislaufs in einem zweiten Kreislauf mit einer zusätzlichen Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird. Das Verfahren wird mit der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt. Die Vorteile der Vorrichtung ergeben sich daher auch für das Verfahren.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit nachgeschalteter Entsalzungsanlage gemäß dem Stand der Technik und
2 einen Ausschnitt des Wasser-Dampf-Kreislaufs einer Dampfturbinenanlage mit einem zweiten Kreislauf mit Turbine gemäß der Erfindung.
Die Kraftwerksanlage 1 mit Entsalzungsanlage 2 gemäß der 1 ist als Gas- und Dampfturbinenanlage 3 ausgestaltet und umfasst eine Gasturbinenanlage 4 und eine Dampfturbinenanlage 5. Die Gasturbinenanlage 4 umfasst eine Gasturbine 6 mit angekoppeltem Luftverdichter 7 und eine der Gasturbine 6 vorgeschaltete Brennkammer 8, die an eine Druckluftleitung 9 des Verdichters 7 angeschlossen ist. Die Brennkammer 8 weist einen oder mehrere Brenner 10 auf. Mithilfe des Verdichters 7 wird Frischluft angesaugt, verdichtet, und über die Druckluftleitung 9 einem oder mehreren Brennern 10 der Brennkammer 8 zugeführt. Die zugeführte Luft wird mit über eine Brennstoffleitung 11 zugeführtem flüssigem oder gasförmigem Brennstoff gemischt und das Gemisch entzündet. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase bilden das Arbeitsmedium der Gasturbinenanlage 4, welches der Gasturbine 6 zugeführt wird, wo es unter Entspannung Arbeit leistet und eine mit der Gasturbine 6 gekoppelte Welle 12 antreibt. Die Gasturbine 6 und der Luftverdichter 7 sowie ein Generator 13 sind auf der gemeinsamen Welle 12 angeordnet.
Das aus der Gasturbine 6 austretende, entspannte heiße Abgas weist typischerweise noch eine Temperatur von 550°C bis 650°C auf. Zur Nutzung der in dieser Wärme enthaltenen Energie wird das Abgas über eine Abgasleitung 14 einem der Gasturbinenanlage 4 abgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger 15 der Dampfturbinenanlage 5 zugeführt. Das entspannte Arbeitsmittel aus der Gasturbine 6 verlässt den Abhitzedampferzeuger 15 über dessen Abgasausgang 16 in Richtung auf einen nicht näher dargestellten Kamin.
Im Abhitzedampferzeuger 15 sind Heizflächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet. Die Heizflächen sind in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 17 der Dampfturbinenanlage 5 geschaltet, welche mindestens eine, zumeist jedoch mehrere Druckstufen aufweist, die in der 1 nicht näher dargestellt sind, mit jeweils einem eigenen Verdampferabschnitt. Dabei umfasst ein Verdampferabschnitt einen Speisewasservorwärmer (Economiser), einen Verdampfer und einen Überhitzer. Die Druckstufen unterscheiden sich dadurch voneinander, dass in den Heizflächen bei der Dampferzeugung verschiedene Druckniveaus herrschen.
Die Dampfturbinenanlage 5 umfasst neben dem Abhitzedampferzeuger 15, der insbesondere als Zwangsdurchlaufsystem ausgebildet sein kann, eine Dampfturbine 18 mit Turbinenstufen und einen Kondensator 19. Über eine Dampfleitung 20 ist der Abhitzedampferzeuger 15 dampfausgangsseitig mit dem Dampfeingang der Dampfturbine 18 verbunden. Der Abhitzedampferzeuger 15 und der Kondensator 19 bilden zusammen mit der Dampfleitung 20 und einer Rückleitung 21, bestehend aus Dampfleitung 22, Kondensatleitung 23 und Speisewasserleitung 24, ein Dampfsystem, welches zusammen mit der Dampfturbine 18 den Wasser-Dampf-Kreislauf 17 bildet.
Der Dampf aus dem Abhitzedampferzeuger 15 treibt die Dampfturbine 18 und den an die Dampfturbine 18 angekoppelten Generator 25 an und verlässt die Dampfturbine 18 nach dem Durchströmen als abgekühlter entspannter Dampf über den Dampfaus gang der Dampfturbine 18 und die Dampfleitung 22 üblicherweise in Richtung des Kondensators 19 und wird von dort mittels einer Kondensatpumpe 26 in Richtung des Abhitzedampferzeugers 15 geführt.
Neben der Erzeugung elektrischer Energie kann bei einem Gas- und Dampfkraftwerk (GuD-Kraftwerk) auch die Bereitstellung von Dampf als Prozessdampf ein Auslegungsziel sein. Dazu wird dem GuD-Prozess ein Teil des Dampfes entzogen, so dass der in ihm gespeicherte Energieinhalt nicht mehr für den Betrieb der Dampfturbine 18 bzw. zur Stromerzeugung zur Verfügung steht. Der hierzu vor der Dampfturbine 18 über die Prozessdampfleitung 27 aus der Dampfleitung 20 ausgekuppelte Prozessdampf für parallel zum Antreiben der Turbine 18 laufende Zwecke 28 wird ebenfalls über den Kondensator 19 als Prozesskondensat in den Abhitzedampferzeuger 15 zurückgeführt.
In der in 1 gezeigten Kraftwerksanlage 1 mit nachgeschalteter Entsalzungsanlage 2 wird Dampf aus der Dampfturbine 18 in den Wärmetauscher 29 der Entsalzungsanlage 2 geleitet um Meerwasser zu verdampfen. Der Wärmetauscher 29 der Entsalzungsanlage 2 tritt somit an die Stelle des Kondensators 19 und wandelt den eingehenden Dampf in Kondensat um. Das Kondensat wird über die Kondensatleitung 23 mittels einer Kondensatpumpe 26 hinter der Entsalzungsanlage 2 in den Abhitzedampferzeuger 15 zurück geführt.
2 zeigt die Erfindung, bei der in der Kondensatleitung 23 hinter der Entsalzungsanlage 2 ein erster Wärmetauscher 30 angeordnet ist. In diesem wird sekundärseitig ein Fluid verdampft, welches anschließend in der zusätzlichen Turbine 31 entspannt wird, die mit einem Generator 32 zur Stromerzeugung verbunden ist. Nach dem Durchströmen der Turbine 31 wird das Fluid im Kondensator 33 entspannt und über die Speisepumpe 34 zurück in den ersten Wärmetauscher 30 gepumpt.
Der thermodynamische Kreisprozess dieses zweiten Kreislaufs 35 kann ein Kalina-Kreisprozess oder ein Organic-Rankine- Cycle sein. Mit diesem ersten Wärmetauscher 30 kann die vorhandene Wärme des Kondensats des ersten Kreislaufs 17 nach der Kondensatrückgabe von der Entsalzungsanlage 2 beziehungsweise die vorhandene Wärme des Prozessdampfs kurz vor der Kondensatpumpe 26 in der Rückleitung 21 des ersten Wasser-Dampf-Kreislaufs 17 ausgenutzt. werden.
Auch wenn die Erfindung am Beispiel einer Gas- und Dampfturbinenanlage erläutert wurde, ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke beschränkt, sondern betrifft generell Kraftwerksanlagen, bei denen die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine ausgenutzt wird, beispielsweise Dampfkraftwerke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 2000:2000-10 [0002]

Claims

Eine Kraftwerksanlage (1) umfassend einen Dampferzeuger (15), eine Dampfturbine (18) und eine Dampfleitung (22), die einen Dampfausgang des Dampferzeugers (15) mit einem Eingang der Dampfturbine (18) verbindet, sowie eine Rückleitung (21), die einen Ausgang der Dampfturbine (18) mit einem Speisewassereingang des Dampferzeugers (15) verbindet, wodurch ein erster Kreislauf (17) für einen ersten thermodynamischen Kreisprozess gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wärmetauscher (30) primärseitig in die Rückleitung (21) und sekundärseitig in einen zweiten Kreislauf (35) für einen zweiten thermodynamischen Kreisprozess geschaltet ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 1, wobei eine Kondensatpumpe (26) in die Rückleitung (21) zwischen den ersten Wärmetauscher (30) und den Dampferzeuger (15) geschaltet ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zweiter Wärmetauscher (29), insbesondere als Verdampfer für eine Entsalzungsanlage (2), in die Rückleitung (21) zwischen die Dampfturbine (18) und den ersten Wärmetauscher (30) geschaltet ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zusätzliche Dampfturbine (31) in den zweiten Kreislauf (35) geschaltet ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zusätzliche Dampfturbine (31) mit einem Generator (32) verbunden ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite thermodynamische Kreisprozess ein Organic-Rankine-Kreisprozess ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite thermodynamische Kreisprozess ein Kalina-Kreisprozess ist.
Die Kraftwerksanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Leitung (27) für ein Prozesskondensat eines aus der Dampfleitung (20) auskuppelbaren Prozessdampfs zwischen der Dampfturbine (18) und dem erstem Wärmetauscher (30) in die Rückleitung (21) mündet.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage (1) mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf (17), dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Energie eines Kondensats des Wasser-Dampf-Kreislaufs (17) in einem zweiten Kreislauf (35) mit einer zusätzlichen Dampfturbine (31) zur Stromerzeugung genutzt wird.