DE102011108260A1 - Steam power plant has external heat pump to receive heat from ambient air and set heat to higher temperature level, so as to preheat feed water - Google Patents

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Abstract

The steam power plant has internal heat pump that obtains exhaust gas heat and/or the heat of condensation and sets to higher temperature level. The obtained heat is used for heating and vaporization of the feed water by using evaporator (6). The external heat pump is used to receive the heat from ambient air and set the heat to a higher temperature level, so as to preheat the feed water.

Description

Einleitungintroduction

Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk. Dieses besteht üblicherweise aus mindestens einer Speisewasserpumpe, die das Wasser auf einen hohen Druck bringt, optional einem Vorwärmer, der das Speisewasser vorwärmt, einem Verdampfer in dem das Speisewasser erhitzt und verdampft wird, optional einem Überhitzer, in dem der Wasserdampf überhitzt wird, einer 1. Turbine, in der die Energie des Dampfes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, optional einem Zwischenüberhitzer, der den in einer 1. Turbine teilentspannten Dampf wieder überhitzt, damit er einer 2. Turbine zugeführt werden kann, optional einer 2. Turbine, in der ebenfalls die Energie des Dampfes in mechanische Arbeit umgewandelt wird, einem Generator, der die mechanische Leistung der Turbine oder Turbinen in elektrischen Strom umwandelt und einem Kondensator, der den Abdampf der Turbine oder Turbinen kondensiert, so dass das Speisewasser wieder von der Speisewasserpumpe auf einen hohen Druck gebracht werden kann.The invention relates to a steam power plant. This usually consists of at least one feed water pump, which brings the water to a high pressure, optionally a preheater, which preheats the feed water, an evaporator in which the feed water is heated and evaporated, optionally a superheater, in which the water vapor is superheated, a 1 Turbine in which the energy of the steam is converted into mechanical work, optionally a reheater, which overheats the steam partially expanded in a first turbine so that it can be fed to a second turbine, optionally a second turbine, in which also The energy of the steam is converted into mechanical work, a generator that converts the mechanical power of the turbine or turbines into electricity and a condenser that condenses the exhaust steam of the turbine or turbines, allowing the feed water back from the feed water pump to a high pressure can be brought.

Die Energie, die zum Erwärmen, Verdampfen, Überhitzen und Zwischenüberhitzen des Wassers benötigt wird, wird üblicherweise von Brennern bereitgestellt, die mit Gas, Öl, Kohle, Holz oder Müll befeuert werden, oder von Kernreaktoren.The energy needed to heat, evaporate, overheat, and reheat the water is usually provided by burners fired with gas, oil, coal, wood, or garbage or from nuclear reactors.

Heutige Dampfkraftwerke (DKW) erreichen, je nach Umgebungstemperatur, Wirkungsgrade eta,DKW von ca. 50%. Das bedeutet, dass von dem durch den Brennstoff zugeführten Energiestrom Q.BS nur 50% in elektrischen Strom Pel umgewandelt werden können. Der Gesamtwirkungsgrad eines Dampfkraftwerkes (DKW) ist nach heutiger Definition:

Figure 00010001
Today's steam power plants (DKW) reach, depending on the ambient temperature, efficiencies eta, DKW of about 50%. This means that only 50% of the energy supplied by the fuel flow Q.BS can be converted into electric current Pel. The overall efficiency of a steam power plant (DKW) is today's definition:
Figure 00010001

Danach werden ca. 25% der durch den Brennstoff zugeführten Energie über das Abgas (AG) durch den Schornstein (SS) und weitere ca. 25% als Kondensationswärme über den Kühlturm (KT) in die Umgebung abgegeben.Thereafter, about 25% of the energy supplied by the fuel via the exhaust gas (AG) through the chimney (SS) and another about 25% as heat of condensation via the cooling tower (KT) discharged into the environment.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung war es, die Kondensationswärme und die Abgaswärme zurück zu gewinnen und sie dem Dampfkraftwerksprozess wieder zuzuführen und zusätzlich auch Umgebungsluftwärme aufzunehmen und sie dem Dampfkraftwerksprozess zuzuführen.The object of the invention was to recover the heat of condensation and the exhaust heat and return them to the steam power plant process and also to absorb ambient air heat and supply them to the steam power plant process.

Erfindungsgemäße LösungInventive solution

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dampfkraftwerk, in dem eine interne Wärmepumpe integriert ist, welche die Kondensationswärme des Abdampfes und die Abgaswärme aufnimmt, sie auf ein höheres Temperaturniveau bringt und sie zur Erwärmung und Verdampfung des Speisewassers verwendet.This object is achieved by a steam power plant, in which an internal heat pump is integrated, which absorbs the heat of condensation of the exhaust steam and the exhaust heat, brings them to a higher temperature level and uses them for heating and evaporation of the feedwater.

Eine externe Wärmepumpe nimmt noch zusätzlich Wärme aus der Umgebung auf, bringt sie auf ein höheres Temperaturniveau und bringt sie in den Dampfkreislauf ein, indem sie das Speisewasser vorwärmt.An external heat pump additionally absorbs heat from the environment, brings it to a higher temperature level and introduces it into the steam cycle by preheating the feed water.

Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer haben elektrische Heizungen, so dass, wenn das Netz weniger elektrischen Strom benötigt, die Wärme für die Verdampfung, Überhitzung und Zwischenüberhitzung auch elektrisch erzeugt werden kann.Evaporators, superheaters and reheaters have electric heaters, so if the grid requires less electrical power, the heat for evaporation, overheating and reheat can also be generated electrically.

Beschreibung des Wärmepumpen-DampfkraftwerkesDescription of the heat pump steam power plant

Im folgenden Text wird solch eine Kombination eines Dampfkraftwerks mit einer internen und einer externen Wärmepumpe, die ich als Wärmepumpen-Dampfkraftwerk bezeichne, beschrieben und in 1 ist das Funktionsschema dargestellt.In the following text, such a combination of a steam power plant with an internal and an external heat pump, which I call a heat pump steam power plant, described and in 1 the functional diagram is shown.

Der Wasser/Dampf-Kreislauf des Dampfkraftprozesses ist wie folgt:
Die Speisewasserpumpen (1) bringen das kalte Speisewasser auf einen hohen Druck.The water / steam cycle of the steam power process is as follows:
The feedwater pumps ( 1 ) bring the cold feed water to a high pressure.

Das kalte Speisewasser wird durch den Vorwärmer (2), dem Kondensator des externen, des Erwärmungsturm-Wärmepumpenkreislaufs, geleitet und nimmt dabei Wärme auf und wird dabei erwärmt.The cold feed water is passed through the preheater ( 2 ), the condenser of the external, the warming tower heat pump cycle, and thereby absorbs heat and is heated.

Der externe, der Erwärmungsturm-Wärmepumpenkreislauf, besteht aus einem Kompressor (3), der das gasförmige Kältemittel auf einen hohen Druck und damit auf eine hohe Temperatur bringt, einem Kondensator (4), der für den Dampfkreislauf der Vorwärmer (2) ist, in dem das heiße Kältemittel seine Wärme auf das Speisewasser überträgt und selbst dabei abkühlt und kondensiert, einem Expansionsorgan (5), an dem der Druck des abgekühlten, flüssigen Kältemittels stark verringert wird, wodurch das Kältemittel stark abkühlt und dem Verdampfer (6), das ist der Erwärmungsturm selbst, in dem das sehr kalte, flüssige Kältemittel verdampft, wobei es bei Außentemperaturen die über der Verdampfungstemperatur liegen, Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann.The external, the warming tower heat pump cycle, consists of a compressor ( 3 ), which brings the gaseous refrigerant to a high pressure and thus to a high temperature, a capacitor ( 4 ), for the steam cycle of the preheater ( 2 ) is, in which the hot refrigerant transfers its heat to the feed water and thereby cools and condenses, an expansion organ ( 5 ), at which the pressure of the cooled, liquid refrigerant is greatly reduced, whereby the refrigerant cools strongly and the evaporator ( 6 ), that is the warming tower itself, in which the very cold, liquid refrigerant vaporizes, and at outside temperatures above the evaporation temperature, it can absorb heat from the environment.

Falls die Außentemperatur t0 unter die Verdampfungstemperatur sinkt, wird die Erwärmungsturm-Wärmepumpe ausgeschaltet und das Speisewasser gelangt ohne Vorwärmung zum Verdampfer.If the outside temperature t0 drops below the evaporation temperature, the Warming tower heat pump switched off and the feed water passes without preheating to the evaporator.

Das Speisewasser wird im Verdampfer (7) erhitzt und verdampft, wobei der Verdampfer die Kondensationswärme des Abdampfes und des Abgases nutzt. Der Verdampfer des Wasserkreislaufs ist der Kondensator (8) des internen Kältemittelkreislaufs.The feed water is in the evaporator ( 7 ) and evaporates, the evaporator uses the heat of condensation of the exhaust steam and the exhaust gas. The evaporator of the water cycle is the condenser ( 8th ) of the internal refrigerant circuit.

Dieser Sattdampf wird im Überhitzer (9) überhitzt. Der Überhitzer erhält seine Energie (10) durch die Verbrennung von Gas, Öl, Kohle, Holz, Müll oder durch Kernspaltung.This saturated steam is in the superheater ( 9 ) overheated. The superheater gets its energy ( 10 ) by the combustion of gas, oil, coal, wood, garbage or by nuclear fission.

Im Überhitzer ist eine Elektrische Heizung (11) integriert. Diese kann vom Generator mit elektrischem Strom gespeist werden. Die Elektrische Heizung (11) wird allerdings nur dann eingesetzt, wenn weniger elektrische Leistungsabgabe des Kraftwerks benötigt wird, weil die von der Elektrischen Heizung verbrauchte elektrische Leistung natürlich nicht mehr ans Netz abgegeben werden kann.In the superheater is an electric heater ( 11 ) integrated. This can be powered by the generator with electric current. The electric heater ( 11 ), however, is only used when less electric power output of the power plant is needed, because of course, the electric power consumed by the electric heater can not be delivered to the grid.

Der überhitzte Dampf wird in der Hochdruck-Dampfturbine (12) teilweise entspannt, leistet dabei mechanische Arbeit, in dem er die Turbinenwelle antreibt und kühlt dabei ab.The superheated steam is used in the high-pressure steam turbine ( 12 ) partially relaxed, doing mechanical work in which he drives the turbine shaft and cools it off.

Der teilweise entspannte Dampf wird im Zwischenüberhitzer (13) wieder überhitzt. Auch der Zwischenüberhitzer erhält seine Energie aus den heißen Abgasen (14) der Verbrennung, durch Kernspaltung oder wenn weniger elektrische Leistungsabgabe gebraucht wird durch die elektrische Heizung (15).The partially relaxed steam is used in the reheater ( 13 ) overheated again. Even the reheater gets its energy from the hot exhaust gases ( 14 ) combustion, by nuclear fission or when less electrical power output is needed by the electrical heating ( 15 ).

Der teilweise entspannte, wieder überhitzte Dampf wird in der Niederdruck-Turbine (16) vollständig auf ein recht hohes Vakuum, entspannt, kühlt dabei ab und leistet dabei wieder mechanische Arbeit, in dem er die Turbinenwelle antreibt.The partially relaxed, reheated steam is used in the low-pressure turbine ( 16 ) completely to a fairly high vacuum, relaxes, cools down while doing mechanical work again, in which he drives the turbine shaft.

Die mechanische Leistung von Hochdruck-Dampfturbine (12) und Niederdruck-Dampfturbine (16) wird von einem Generator (17) in elektrischen Strom umgewandelt.The mechanical performance of high-pressure steam turbine ( 12 ) and low-pressure steam turbine ( 16 ) is generated by a generator ( 17 ) converted into electricity.

Der abgekühlte Abdampf wird im Kondensator (18) weiter abgekühlt und dabei verflüssigt. Die Abwärme des Kondensators wird vom Verdampfer (19) der internen Wärmepumpe aufgenommen, so dass der Kühlturm entfällt.The cooled exhaust steam is in the condenser ( 18 ) and thereby liquefied. The waste heat of the condenser is removed by the evaporator ( 19 ) of the internal heat pump, so that the cooling tower is eliminated.

Der Kondensator des Dampfkreislaufes (18) ist also der Verdampfer des inneren Kältemittelkreislaufs (19).The condenser of the steam cycle ( 18 ) is thus the evaporator of the internal refrigerant circuit ( 19 ).

Allerdings kann man die Kühltürme durchaus wieder verwenden, wenn man sie als die oben bereits erwähnten Erwärmungstürme, also Verdampfer (6) des externen Kältemittel-Kreislaufs, der Wärme aus der Umgebung aufnimmt, nutzt.However, you can certainly use the cooling towers, if you use them as the above-mentioned warming storms, ie evaporator ( 6 ) of the external refrigerant circuit, which absorbs heat from the environment uses.

Das unterkühlte Kondensat wird von den Speisewasserpumpen (1) wieder angesaugt und der Kreislauf beginnt erneut.The supercooled condensate is separated from the feed water pumps ( 1 ) sucked in again and the cycle starts again.

Der Kältemittel-Kreislauf der in den Dampfkraftprozess eingebundenen internen Wärmepumpe ist wie folgt:
Das kalte, gasförmige Kältemittel wird im Kompressor (20) verdichtet und dadurch erwärmt.The refrigerant circuit of the internal heat pump integrated in the steam power process is as follows:
The cold, gaseous refrigerant is in the compressor ( 20 ) and thereby heated.

Dem Kompressor (20) nachgeschaltet ist der Kältemittel-Überhitzer (21). Der Kältemittel-Überhitzer ist ein Wärmetauscher, in dem das Abgas seine Wärme auf das Kältemittel überträgt, wodurch dieses stark überhitzt wird. Der Kältemittel-Überhitzer (21) ist für den Abgasweg der Abgas-Kondensator (22), also der Wärmetauscher, in dem das Abgas unter den Säuretaupunkt abgekühlt wird, wodurch es kondensiert.The compressor ( 20 ) is the refrigerant superheater ( 21 ). The refrigerant superheater is a heat exchanger in which the exhaust gas transfers its heat to the refrigerant, causing it to overheat. The refrigerant superheater ( 21 ) is for the exhaust path of the exhaust gas condenser ( 22 ), ie the heat exchanger, in which the exhaust gas is cooled below the acid dew point, whereby it condenses.

Das heiße, hochdruckige, gasförmige Kältemittel gibt im Kondensator des internen Kältekreislaufs (8), der der Verdampfer des Dampfkreislaufes (7) ist, seine Wärme an das Wasser und den Dampf ab, kühlt selbst dabei ab und wird dabei flüssig.The hot, high-pressure, gaseous refrigerant gives in the condenser of the internal refrigeration cycle ( 8th ), the evaporator of the steam cycle ( 7 ), its heat to the water and the steam from, cools itself off and becomes liquid.

Das abgekühlte, hochdruckige und nun flüssige Kältemittel, wird im Expansionsorgan (23) entspannt und kühlt dadurch ab.The cooled, high pressure and now liquid refrigerant is in the expansion organ ( 23 ) relaxes and thereby cools down.

Das kalte, niederdruckige, flüssige Kältemittel wird im Kältemittel-Vorwärmer (24) vom bereits recht weit abgekühlten Abgas erwärmt und etwas verdampft, wodurch das Abgas unterkühlt wird. Der Kältemittel-Vorwärmer (24) ist also der Abgas-Unterkühler (25).The cold, low-pressure, liquid refrigerant is in the refrigerant preheater ( 24 ) Is heated by the already quite far cooled exhaust gas and slightly evaporated, whereby the exhaust gas is undercooled. The refrigerant preheater ( 24 ) is thus the exhaust gas subcooler ( 25 ).

Im Verdampfer des internen Kältekreislaufs (19), der der Kondensator des Dampfkreislaufs (18) ist, wird das Kältemittel vollständig verdampft und etwas überhitzt.In the evaporator of the internal refrigeration cycle ( 19 ), which is the condenser of the steam cycle ( 18 ), the refrigerant is completely evaporated and slightly overheated.

Das etwas überhitze Kältemittel wird vom Kompressor (20) wieder angesaugt und verdichtet und der Kältemittelkreislauf beginnt erneut.The slightly superheated refrigerant is removed from the compressor ( 20 ) sucked and compressed again and the refrigerant circuit starts again.

Das Vereisungsproblem des äußeren Kältemittel-Verdampfers (6) (Erwärmungsturm) kann technisch dadurch gelöst werden, dass zwei oder drei Kältemittel-Verdampfer parallel geschaltet und abwechselnd betrieben werden. Während der eine in Betrieb ist, können die anderen enteisen oder enteist werden.The icing problem of the external refrigerant evaporator ( 6 ) (Warming tower) can be solved technically by connecting two or three refrigerant evaporators in parallel and operating them alternately. While one is in operation, the other can be de-icing or de-icing.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Vorteile der Erfindung sind, dass der Wirkungsgrad deutlich gesteigert wird und dass der Schornstein und der Kühlturm entfallen können.Advantages of the invention are that the efficiency is significantly increased and that the chimney and the cooling tower can be omitted.

Die bei einem Wärmepumpen-Dampfkraftwerk mögliche vollständige Kondensation des Abgases hat zudem noch den Vorteil, dass die Säurebildner Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und die Stickoxide weitestgehend im Abgaskondensat gebunden werden, so dass sie vergleichsweise einfach neutralisiert werden können und nicht mehr umweltschädlich sind.The possible in a heat pump steam power plant complete condensation of the exhaust gas also has the advantage that the acidifiers carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur dioxide and nitrogen oxides are largely bound in the exhaust gas condensate, so that they can be relatively easily neutralized and no longer harmful to the environment.

Weiterer Vorteil des Wärmepumpen-Dampfkraftwerks mit eingebauter Elektrischer Heizung in Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer ist, dass erforderliche Leistungsabgabeänderungen sehr schnell vollzogen werden können, ohne dass sich der Dampfkraftprozess selbst ändert. Die Wärme, die im Normalfall von den Brennern erzeugt wird, wird bei geringem Leistungsbedarf des elektrischen Netzes elektrisch erzeugt, wodurch der Wirkungsgrad noch einmal steigt.Another advantage of the heat pump steam power plant with built-in electric heater in evaporator, superheater and reheater is that required power output changes can be made very quickly, without the steam power process itself changes. The heat, which is normally generated by the burners, is generated electrically with low power consumption of the electrical network, whereby the efficiency increases again.

Claims (5)

Dampfkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator des Wasserkreislaufs als Verdampfer einer internen Wärmepumpe verwendet wird, der die Kondensationswärme des Abdampfes aufnimmt und dass der Verdampfer des Wasserkreislaufs als Kondensator der internen Wärmepumpe verwendet wird, der die Kondensationswärme des Abdampfes und die Abgaswärme dem Wasserkreislauf wieder zuführt.Steam power plant, characterized in that the condenser of the water cycle is used as an evaporator of an internal heat pump, which absorbs the heat of condensation of the exhaust steam and that the evaporator of the water cycle is used as a capacitor of the internal heat pump, which supplies the heat of condensation of the exhaust steam and the exhaust heat to the water cycle again , Dampfkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe Wärmepumpe Wärme aus der Umgebung aufnimmt, sie auf ein höheres Temperaturniveau bringt und damit das Speisewasser vorwärmt.Steam power plant, characterized in that an external heat pump receives heat from the environment, it brings to a higher temperature level and thus preheats the feed water. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer elektrische Heizungen sind, die, wenn das Netz weniger Strom verlangt, das Wasser teilweise oder auch ganz erhitzen, verdampfen, überhitzen und zwischenüberhitzen können, so dass Brennstoff eingespart werden kann.Steam power plant according to claim 1 and / or 2, characterized in that in the evaporator, superheater and reheater are electric heaters, which, if the network requires less power, the water partially or completely heat, vaporize, overheat and reheat, so that fuel can be saved. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in einem Abgaskondensator vollständig kondensiert wird und dieser Abgaskondensator der Kältemittelüberhitzer der internen Wärmepump ist.Steam power plant according to claim 1 and / or 2, characterized in that the exhaust gas is completely condensed in an exhaust gas condenser and this exhaust gas condenser of the refrigerant superheater is the internal heat pump. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in einem Abgasunterkühler noch weiter abgekühlt wird und dieser Abgasunterkühler der Kältemittelvorwärmer der internen Wärmepumpe ist.Steam power plant according to claim 1 and / or 2, characterized in that the exhaust gas is further cooled in an exhaust gas subcooler and this exhaust gas subcooler is the refrigerant preheater of the internal heat pump.
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