DE102011121341A1 - Steam power method for creation of electric power from e.g. water in cyclic process, involves making vapor from heater to flow into afterburner, and burning hydrogen and oxygen with fluid such that fluid is mixed with exhaust gas - Google Patents

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Abstract

The method involves making vapor (8) from a medium pressure heater (3) to flow as a partial stream into an afterburner (4) at a pressure of 50 bar and a temperature of 540 degree Celsius based on planned capacity. Hydrogen and oxygen in water vapor atmosphere is burned with working fluid at the same pressure and temperature of 1200 degree Celsius by the afterburner such that the working fluid is mixed with exhaust gas, where the afterburner is immediately placed at an inlet of a hot gas turbine (5) to obtain short low-loss hot gas paths.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Dampfkraftprozess bezogenes thermisches Verfahren, welches durch spezielle Modifikationen in der Lage ist, kurzfristig zusätzlich elektrische Leistung beispielsweise in der Spitzenlast zu liefern, wodurch eine bessere Netzanpassung und eine höhere Flexibilität entsteht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.The invention relates to a related to the steam power process thermal process, which is able by special modifications, in the short term to provide additional electrical power, for example in the peak load, whereby better network adaptation and greater flexibility arises. Such a solution is needed primarily in the energy industry.

Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermie und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Strombedarf im Netz. Vorhandene Divergenzen bedürfen Ausgleich. Moderne zukünftige Kraftwerksprozesse müssen bei hoher Effizienz und niedrigen Emissionen leistungsflexibel arbeiten können. Die klassische Trennung zwischen Grund-, Mittel-, und Spitzenlast wird durch die wetterabhängigen Einspeisungen zusätzlich belastet, sodass Handlungsbedarf entsteht. Pumpspeicherwerke verlangen aus geologischer und ökologischer Sicht spezielle örtliche Voraussetzungen, weswegen diese Speicherart nur ein Teil kompensieren kann. Notwendige Dampfreserven kosten Geld, senken die Prozesseffizienz und belasten die Umwelt, was ja eigentlich durch die alternative Energienutzung vermieden werden soll. Im Rahmen des Forschungsprojektes ” H2/O2-Dampferzeuger zur Momentanreserve in Dampfkraftwerken, Sternfeld, H. J. (1992) ” konnte praktisch nachgewiesen werden, das die interne Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verdampfung von Kondensat als Momentanreserve nutzbar ist, aber aus damaliger Sicht unrentabel war. Zwanzig Jahre später haben sich die ökonomischen und technischen Randbedingungen durch Klimawandel, technischen Fortschritt, anstehendem Atomausstieg und alternativen Energiequellen verändert. Die schnellaktivierbare Momentanreserve wird wieder interessant, vergrößert aber insgesamt den Anlagen-Massendurchsatz, was die Abgabeleistung der Turbinen erhöht, aber nachteilig auch den Kondensator direktproportional vergrößert, eine Nachrüstung bestehender Anlagen dadurch erschwert und kaum die Prozesseffizienz verbessert, da die Grenztemperaturen unverändert bleiben. Bestünde die Möglichkeit, kurzfristig Leistung zu aktivieren und zusätzlich noch die Prozesseffizienz zu verbessern, würde das im Vergleich zum Stand der Technik eine markante Verbesserung bedeuten.With the phase-out of atomic energy conversion, the demand for alternative electric energy generation is growing. Wind and sun are available alongside biomass, geothermal and hydro power. Problems are the coordination between the advent of wind and sun with the electricity needs in the network. Existing divergences require compensation. Modern future power plant processes must be able to operate with high efficiency and low emissions in a flexible manner. The classical separation between basic, medium and peak load is additionally burdened by the weather-dependent feed-in, so that there is a need for action. From a geological and ecological point of view, pumped storage plants require special local conditions, which is why this type of storage can only compensate for part of it. Necessary steam reserves cost money, reduce process efficiency and pollute the environment, which should actually be avoided through alternative energy use. As part of the research project " H2 / O2 steam generator for instantaneous reserve in steam power plants, Sternfeld, HJ (1992) "It could be practically proven that the internal combustion of hydrogen and oxygen for the evaporation of condensate can be used as an instantaneous reserve, but from that point of view was unprofitable. Twenty years later, the economic and technical conditions have changed as a result of climate change, technological progress, impending nuclear phase-out and alternative energy sources. The quickly activated instantaneous reserve becomes interesting again, but overall increases the plant mass flow rate, which increases the power output of the turbines, but disadvantageously also proportionally increases the capacity of the turbines, makes it more difficult to retrofit existing plants, and hardly improves the process efficiency, since the limit temperatures remain unchanged. If it were possible to activate performance in the short term and additionally improve process efficiency, this would mean a significant improvement compared to the prior art.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve so zu gestalten, das bei moderater Kondensator Vergrößerung dennoch eine Leistungs- und Effizienzsteigerung erreicht werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Nutzt man wie bei der Momentanreserve die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsfluids, so erhöht sich bei gleichen Prozessgrenztemperaturen der Massendurchsatz mit den Größenfolgen für Turbine und Kondensator. Der aus energetischer Sicht betrachtete prozessbedingte Nachteil, im Zyklus auch noch die zusätzliche Arbeitsfluidmenge verdampfen und wieder kondensieren zu müssen, bleibt erhalten. Besser ist es, die innere Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff nur zur Temperaturerhöhung von bereits überhitzten Dampf aus der Mitteldruckstufe (ca. 30–50 bar) als Nachbrenner zu nutzen und diesen dann anschließend in einer speziell gekühlten Gasturbine bis zum Kondensationsdruck zu entspannen. Diese Modifikation lässt nur den Dampfdurchsatz um die Abgasmenge aus der Verbrennung ansteigen, erhöht die Prozess-Grenztemperatur, was sich positiv auf die Effizienz auswirkt und nutzt das Temperaturpotential der internen Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff besser aus. Somit entsteht aus der Reihenfolge des Prozessverlaufs im Gegensatz zum Gas- und Dampfturbinen Prozess ein Dampf- und Gasturbinen Prozess, der mit dem jeweils betriebenen Brennstoffen nach dem Stand der Technik die thermische Verdichtung, die Überhitzung im Hoch- und Mitteldruckbereich übernimmt, dann mittels Nachbrenner durch innerer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff das Arbeitsfluid auf Maximaltemperatur erwärmt und in der speziell gekühlten Gasturbine mit interner Oberflächen-Verdampfung bis zum Kondensationsdruck entspannt. Dann folgen die üblichen Prozessschritte Kondensation, Druckerhöhung, Aufbereitung und Vorwärmung des Kondensats bis zur Verdampfung im Kessel, von wo ab der Prozess von Neuem beginnt. Mit der Entnahme des Abgaskondensats nach entsprechender Druckanpassung und der Rückführung zur Elektrolyse mit Speicher ist auch dieser Prozessverlauf geschlossen.It is therefore an object of the invention to make the steam power process with fast-activatable power reserve so that at moderate condenser magnification yet a performance and efficiency can be achieved. The object is achieved according to the invention essentially by the characterizing features of claims 1 to 9. If one uses the combustion of hydrogen and oxygen for evaporation and overheating of the working fluid as in the instantaneous reserve, the mass throughput increases with the same process limit temperatures with the size sequences for turbine and condenser. From an energetic point of view, the process-related disadvantage of having to evaporate and condense the additional amount of working fluid in the cycle remains intact. It is better to use the internal combustion of hydrogen and oxygen only to increase the temperature of already superheated steam from the medium pressure stage (about 30-50 bar) as an afterburner and then to relax this in a specially cooled gas turbine to condensation pressure. This modification only increases the steam flow rate by the amount of exhaust gas produced by the combustion, increases the process temperature limit, which has a positive effect on the efficiency and makes better use of the temperature potential of the internal combustion of hydrogen and oxygen. Thus arises from the sequence of the process in contrast to the gas and steam turbine process, a steam and gas turbine process, the thermal compression, the overheating in the high and medium pressure area takes over with the respective fuels operated according to the prior art, then by means of afterburner internal combustion of hydrogen and oxygen, the working fluid is heated to maximum temperature and expanded in the specially cooled gas turbine with internal surface evaporation to the condensation pressure. Then follow the usual process steps condensation, pressure increase, treatment and preheating of the condensate to evaporation in the boiler, from where the process begins again. With the removal of the exhaust gas condensate after appropriate pressure adjustment and the return to the electrolysis with memory and this process is closed.

Je nach geplanter Leistungsreserve, ob kleinere Teilmengen oder der gesamte Mitteldruck-Massendurchsatz hierfür benötigt werden, sind Umbaumaßnahmen erforderlich, die sich aber positiv auf die Funktionalität eines Kraftwerkes auswirken. Der Betreiber einer solchen Anlage kauft Strom zu Zeiten des Überangebots günstig auf oder braucht seinen gar nicht erst zu verschleudern, wenn er ihn elektro-chemisch speichern, ihn bei Abnahmebedarf mit erhöhter Effizienz wieder verstromen und ihn für gute Konditionen verkaufen kann. Durch die hohe Verbrennungstemperatur, der direkte Wärmeübergang im Nachbrenner, die Modulierbarkeit der Flamme verbunden mit einer temperaturresistenten Gasturbine steht eine schnellaktivierbare Leistungsreserve zur Verfügung.Depending on the planned power reserve, whether smaller partial quantities or the entire medium-pressure mass flow rate are required for this purpose, conversion measures are required, which, however, have a positive effect on the functionality of a power plant. The operator of such a system buys electricity at times of oversupply cheap or need not even be squandered if he can store it electro-chemically, it again at consumption demand with increased efficiency again and sell it for good terms. Due to the high combustion temperature, the direct heat transfer in the afterburner, the modulability of the flame combined with a temperature-resistant gas turbine, a quickly activatable power reserve is available.

Somit löst die vorgeschlagene Prozessführung die gestellten Aufgaben. Thus, the proposed process management solves the tasks.

Es können vorhandene Grundlastkraftwerke schrittweise in Abhängigkeit des Speicherbedarfs umgerüstet werden, was einerseits die alternativen Energiequellen mit ihren disparaten Einspeisungen fördert und andererseits die bestehenden noch nicht abgeschriebenen Kraftwerke weiterhin als Übergangstechnologie nutzen lässt.Existing base load power plants can be gradually upgraded depending on the storage requirements, which promotes the alternative energy sources with their disparate feeds on the one hand and on the other hand, the existing not yet depreciated power plants continue to use as a transitional technology.

1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampfkraftprozesses mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess 1 a schematic block diagram of the steam power process with fast activatable power reserve for the electric power generation in the cycle

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Überhitzer 1Superheater 1
22
HochdruckdampfturbineHigh pressure steam turbine
33
Überhitzer 2Superheater 2
44
Nachbrennerafterburner
55
HeißgasturbineHot gas turbine
66
Kondensatorcapacitor
77
Kondensatpumpecondensate pump
88th
Dampfsteam
99
Wasserstoffhydrogen
1010
Sauerstoffoxygen
1111
Kondensatcondensate
1212
Verbrennungs-AbgasanteilCombustion exhaust gas share
1313
Kesselboiler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • H2/O2-Dampferzeuger zur Momentanreserve in Dampfkraftwerken, Sternfeld, H. J. (1992) [0002] H2 / O2 steam generator for instantaneous reserve in steam power plants, Sternfeld, HJ (1992) [0002]

Claims (9)

Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus den Grundkomponenten des Dampfkraftprozesses mit Zwischenüberhitzung und Kondensatvorwärmung und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasser im flüssigen und gasförmigen Zustand dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (8) je nach geplanter Kapazität komplett oder als Teilstrom aus dem Mitteldruck-Erhitzer (3) kommend beispielsweise mit einen Druck von 50 bar und 540°C in einem Nachbrenner (4) strömt, indem direkt Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) in Wasserdampfatmosphäre verbrennt, dabei bei gleichem Druck das Arbeitsfluid beispielsweise auf 1200°C erwärmt und sich dabei mit dem Abgas vermischt.Steam power process with fast-activatable power reserve for the generation of electric power in the cycle, consisting of the basic components of the steam power process with reheating and condensate preheating and operated with the working fluid water in the liquid and gaseous state, characterized in that the steam ( 8th ) depending on the planned capacity completely or as a partial flow from the medium-pressure heater ( 3 ) Coming example, with a pressure of 50 bar and 540 ° C in an afterburner ( 4 ) flows by directly hydrogen ( 9 ) and oxygen ( 10 ) burns in steam atmosphere, while the same pressure, the working fluid, for example, heated to 1200 ° C and thereby mixed with the exhaust gas. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Heißgasteile im Nachbrenner (4) durch Oberflächenverdampfung von druckangepasstem Kondensat (11) erfolgt.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1, characterized in that the hot gas parts in the afterburner ( 4 ) by surface evaporation of pressure-adapted condensate ( 11 ) he follows. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) unmittelbar am Eingang der Heißgasturbine (5) platziert wird, um kurze verlustarme Heißgaswege zu erhalten.Steam power process with fast-activatable power reserve for the generation of electrical energy in the cycle according to claim 1 and 2, characterized in that the afterburner ( 4 ) directly at the entrance of the hot gas turbine ( 5 ) is placed to obtain short low loss hot gas paths. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in der Heißgasturbine (5) die Oberflächen der Leit- und Laufschaufeln mit aufbereitetem Kondensat (11) durch Kapillare benetzt werden, dann beim Verdampfen die Schaufeln kühlen, indem sich die Energieeinträge durch die Strömung von den Energiebeträgen für den Phasenwechsel auf den Oberflächen ausgleichen, somit die Materialtemperaturen trotz höchster Arbeitsfluidtemperaturen im Bereich der Siedetemperatur des jeweiligen Druckes bleiben, bei 50 bar etwa 240°C, wodurch die Heißgasturbine (5) temperaturresistent wird, da mit zunehmenden Arbeitsfluidtemperaturen nur die Verdampfungsmengen erhöht werden müssen.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1 to 3, characterized in that in the hot gas turbine ( 5 ) the surfaces of the guide and moving blades with treated condensate ( 11 ) are wetted by capillary, then cool the blades during evaporation by balancing the energy inputs by the flow of the energy amounts for the phase change on the surfaces, thus the material temperatures remain despite high working fluid temperatures in the range of the boiling temperature of the respective pressure, at about 50 bar 240 ° C, causing the hot gas turbine ( 5 ) is temperature resistant, since with increasing working fluid temperatures only the evaporation levels must be increased. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich der verdampfende Kühlanteil mit dem Arbeitsfluid Stufe für Stufe in der Heißgasturbine (5) vermischen, was sich nachfolgend durch den erhöhten Massendurchsatz positiv auf die Turbinenabgabeleistung auswirkt.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1 to 4, characterized in that the evaporating cooling portion with the working fluid stage by stage in the hot gas turbine ( 5 ), which subsequently has a positive effect on turbine output due to the increased mass flow rate. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge erst Hochdruckdampfturbine (2) und dann Heißgasturbine (5) die Nutzung der üblichen Brennstoffe als Grundlast ermöglicht und mit der zusätzlichen direkten, schnellen und gut modulierbaren Verbrennung von Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) die Spitzenlast bedienen kann.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1 to 5, characterized in that the order first high-pressure steam turbine ( 2 ) and then hot gas turbine ( 5 ) allows the use of conventional fuels as a base load and with the additional direct, fast and well-modulated combustion of hydrogen ( 9 ) and oxygen ( 10 ) can handle the peak load. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennwert von Wasserstoff (9) weitestgehend im Prozessverlauf durch die Vermischung Abgas und Dampf (8) mit anschließender Entspannung in der Heißgasturbine (5) genutzt wird, was einen guten Wiederverstromungsfaktor bewirkt.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1 to 6, characterized in that the calorific value of hydrogen ( 9 ) as far as possible in the course of the process by the mixing of exhaust gas and steam ( 8th ) followed by relaxation in the hot gas turbine ( 5 ) is used, which causes a good Wiederverstromungsfaktor. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungs-Abgasanteil (12) nach der Verflüssigung im Kondensator (6) und nach entsprechender Aufbereitung und Druckanpassung mittels Kondensatpumpe (7) abgeleitet wird, um von Neuem Stromdisparitäten zur Wasserstoffgewinnung zu elektrolysieren.Steam power process with fast-activatable power reserve for the generation of electrical energy in the cycle according to claim 1 to 7, characterized in that the combustion exhaust gas fraction ( 12 ) after liquefaction in the condenser ( 6 ) and after appropriate preparation and pressure adjustment by means of condensate pump ( 7 ) to electrolyze electricity disparities for hydrogen production again. Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve auch mit einem Gasturbinenprozess kombiniert werden kann, sodass der Kessel (13) mit den Abgasen der Gasturbinen beheizt wird.Steam power process with fast-activatable power reserve for the production of electric power in the cycle according to claim 1 to 8, characterized in that the steam power process can be combined with fast activatable power reserve with a gas turbine process, so that the boiler ( 13 ) is heated with the exhaust gases of the gas turbine.
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