DE102012100967A1

DE102012100967A1 - Anordnung zur Vorwärmung eines Fluids in einem Kraftwerk, insbesondere in einem Dampfkraftwerk

Info

Publication number: DE102012100967A1
Application number: DE201210100967
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: LEVITEC GmbH
Current assignee: LEVITEC GmbH
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Vorwärmung eines Fluids (7) in einem Kraftwerk, in der ein Kondensator (5) angeordnet ist und das Fluid (7) in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird. Um eine Anordnung (1) zur Verfügung zu stellen, durch die ein Wärmeverlust durch Unterkühlung kompensiert wird, schlägt die Erfindung vor, dass zwischen einem Enthitzer (3) oder einer Entspannungsvorrichtung (2) und Kondensator (5) mindestens ein weiterer Kondensator (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vorwärmung eines Fluids in einem Kraftwerk, insbesondere in einem Dampfkraftwerk, in der ein Kondensator angeordnet ist und das Fluid in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vorwärmung eines Fluids, bei dem ein Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird und das Fluid kondensiert und unterkühlt wird, wobei das Fluid nach der Unterkühlung vorgewärmt wird.
Anordnungen der eingangs genannten Art sind dem Fachmann bekannt und geläufig und sind insbesondere Bestandteile von Dampfkraftwerken. Dampfkraftwerke sind seit langem bekannt und dienen dem Antrieb von Maschinen oder der Erzeugung von elektrischer Energie.
Heutige konventionelle Dampfkraftwerke arbeiten dabei zumeist nach dem Clausius-Rankine-Prozess, wobei man zwecks einer weiteren Steigerung des thermischen Wirkungsgrades dazu übergegangen ist, in einem Teilprozess eine Fluidvorwärmung durchzuführen. Diese Fluidvorwärmung nähert den Clausius-Rankine-Prozess dem idealen Carnot-Prozess an.
Hierzu wird im Bereich der Dampfturbine häufig ein Rekuperator angeordnet, um die Überhitzung des entspannten Dampfes zu reduzieren. Neben der Funktion der Enthitzung erfüllt der Rekuperator zudem die Funktion der Vorwärmung des Fluids.
Bei diesem thermodynamischen Teilprozess muss nach Enthitzung das Fluid kondensiert und danach unterkühlt werden, um in der Speisefluidpumpe Kavitation zu vermeiden. Sowohl die Kondensation als auch die Unterkühlung kann gemäß dem Stand der Technik dabei in einem gemeinsamen Kondensator erfolgen. Eine Unterkühlung des kondensierten Fluids ist übrigens zur Vermeidung von Kavitation auch dann notwendig, wenn hinter einer Entspannungsvorrichtung wie einer Turbine kein Enthitzer eingesetzt wird.
Die Unterkühlung hat zur Folge, dass eine weitere Erwärmung des Fluids von außen zuzuführende Wärme erfordert, was die Leistungsbilanz des thermodynamischen Kreisprozesses verschlechtert.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der der Wärmeverlust durch die Unterkühlung ersetzt wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung sieht vor, dass zwischen einem Enthitzer oder einer Entspannungsvorrichtung und Kondensator mindestens ein weiterer Kondensator angeordnet ist, d.h. zwischengeschaltet ist.
Kernidee der Erfindung ist es, eine Prozessführung zu realisieren, die es erlaubt, zumindest einen Teil der in dem weiteren Kondensator entstehenden Kondensationswärme zusätzlich für die Vorwärmung des Fluids zu verwenden. Gemäß der Erfindung findet die Vorwärmung des Fluids vorzugsweise sowohl in einem Enthitzer (Rekuperator) als auch in dem dem Enthitzer nachgeschalteten zusätzlichen Kondensator statt, der wiederum dem die Restkondensation durchführenden Kondensator vorgeschaltet ist. Somit wird gemäß der Erfindung zwischen einer Teil- und einer Restkondensation unterschieden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet sich derart, dass das Fluid vor der Unterkühlung eine Teilkondensation erfährt, wobei Teilkondensationswärme für die Vorwärmung des Fluids genutzt wird. Vorzugsweise erfolgt dabei nach einer Enthitzung zunächst die Teilkondensation und dann die restliche Kondensation.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Enthitzungswärme zur Vorwärmung des unterkühlten Fluids genutzt wird und die Vorwärmung des Fluids mittels der Teilkondensationswärme bzw. der Enthitzungswärme im Gegenstromverfahren erfolgt.
Zu einer Wirkungsgradsteigerung bei einem reduzierten baulichen Aufwand kommt es auch, wenn der zusätzliche Kondensator schon integraler Bestandteil des Enthitzers ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 ein vereinfachtes Kreislaufschema einer Anordnung gemäß der Erfindung,
2 eine graphische Darstellung des Prozesses aus 1 und
3 einen Teilausschnitt aus der Anordnung aus 1 ohne Enthitzer.
1 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung, die mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist.
Die Anordnung 1 ist Teil eines Dampfkraftwerkes und dient der Wirkungsgradsteigerung in einem Dampfkraftwerk durch Vorwärmung.
Die Anordnung 1 weist eine Entspannungsvorrichtung 2 in Form einer Turbine auf, die mit einem als Wärmetauscher arbeitenden Enthitzer 3 (Rekuperator) verbunden ist. Das aus der Entspannungsvorrichtung 2 kommende entspannte Fluid 7 wird dem Enthitzer 3 zugeführt, in dem das Fluid 7 einen Teil seiner Wärme abgibt. Von dem Enthitzer 3 aus gelangt das Fluid 7 in den zusätzlichen Kondensator 4, in dem es teilkondensiert. Anschließend wird das Fluid 7 dem Kondensator 5 zugeführt, in dem die Restkondensation sowie die Unterkühlung des Fluids 7 stattfindet. Hierzu wird ein Kondensationsfluid 9 dem Kondensator 5 über eine Zuströmungsleitung 6 zugeführt und aus dem Kondensator 5 über die Abströmungsleitung 8 abgeführt. In erfindungswesentlicher Weise befindet sich also ein zusätzlicher Kondensator 4 zwischen dem Enthitzer 3 und dem in dem Stand der Technik üblichen Kondensator 5, so dass sich die Kondensation im Rahmen der Fluidvorwärmung auf eine Teilkondensation, die in dem Kondensator 4 stattfindet, und auf die Restkondensation, die das Fluid 7 in dem Kondensator 5 erfährt, verteilt.
Über den Sammler 10 gelangt das Fluid 7 zurück in den Kondensator 4, wobei es zuvor eine Speisewasserfluidpumpe 11 passiert, durch die das unterkühlte Fluid 7 eine Druckerhöhung erfährt.
Das auf hohem Druck befindliche Fluid 7 wird also dem Kondensator 4 und danach dem Enthitzer 3 zugeführt, in denen die Vorwärmung des Fluids 7 im Gegenstromverfahren stattfindet. Hierzu wird die zuvor in dem Kondensator 4 gewonnene Teilkondensationswärme sowie die in dem Enthitzer 3 erzeugte Enthitzungswärme genutzt. Von dem Enthitzer gelangt das Fluid 7 schließlich über den Verdampfer 12 zurück zur Entspannungsvorrichtung 2, so dass der thermodynamische Kreisprozess geschlossen wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Kondensator 4 in den Enthitzer 3 integriert sein, so dass in dem Enthitzer 3 sowohl die Enthitzung als auch die Teilkondensation und im Gegenstrom die Vorwärmung des Fluids 7 stattfinden kann.
2 veranschaulicht den in 1 gezeigten Kreisprozess durch eine graphische Darstellung in der Druck-Enthalpie-Ebene. Der Anfangszustand des Fluids 7 ist in dieser Ebene durch den Punkt h₀ dargestellt. Durch die Druckerhöhung, die das Fluid 7 durch die Speisewasserpumpe 11 erfährt, wird das Fluid 7 auf die Enthalpie h₁ gebracht. Nunmehr setzt die Vorwärmung in dem zusätzlichen Kondensator 4 ein, der das Fluid 7 auf der Strecke h₁–h₂ bis zur Enthalpie h₂ bringt, die die Enthalpie der Vorwärmung aus der Teilkondensation darstellt. Danach wird das Fluid in dem Enthitzer 3 vorgewärmt, so dass das Fluid die Enthalpie h₃ erreicht. Die sich anschließenden Enthalpien h₄, h₅ des Fluids 7 sind die Folge einer in 1 nicht gezeigten externen Wärmezufuhr zur Vorwärmung und einer externen Vorwärmung zur in dem Verdampfer 12 stattfindenden Verdampfung. Danach erfährt das Fluid 7 eine Erniedrigung des Druckes durch Entspannungsarbeit durch die Entspannungsvorrichtung 2, so dass die Enthalpie des Fluids 7 h₆ wird. Durch die Enthitzung des Fluids 7 in dem Enthitzer 3 wird das Fluid 7 auf die Enthalpie h₇ gebracht. Durch die in dem Kondensator 4 einsetzende Teilkondensation und in dem Kondensator 5 stattfindende Restkondensation erhält das Fluid 7 die Enthalpie h₈, um schließlich durch die einsetzende Unterkühlung zur Enthalpie h₈ zu gelangen und somit den Kreisprozess zu schließen. In erfindungswesentlicher Weise wird also ein Teil der abzuführenden Kondensationswärme zur Vorwärmung auf der Strecke h₁ bis h₂ genutzt, um den Enthalpieverlust durch die Unterkühlung zu ersetzen.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Beispielsweise kann auf den Enthitzer 3 in der Anordnung 1 verzichtet werden (vgl. 3), so dass der zusätzliche Kondensator 4 zwischen Entspannungsvorrichtung 2 und die Restkondensation ausführendem Kondensator 4 angeordnet ist. Auch kann die Hintereinanderschaltung der Wärmetauscher in Gestalt Rekuperator, Teilkondensator und Kondensator ohne Weiteres auf andere Ausführungsformen von Wärmetauschern wie Rohrbündel-Wärmetauscher übertragen werden.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung gewinnt an Bedeutung, wenn das Fluid 7 hinter der Entspannungsvorrichtung 2 in einem Bereich nahe der Sattdampflinie entspannt und kein Enthitzer 3 mehr eingesetzt wird oder sogar in den Nassdampfbereich hinein entspannt wird und nur ein Kondensator bzw. Verflüssiger eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Entspannungsvorrichtung
3: Enthitzer (Rekuperator)
4, 5: Kondensator
6: Zuströmungsleitung
7: Fluid
8: Abströmungsleitung
9: Kondensationsfluid
10: Sammler
11: Speisewasserpumpe
12: Verdampfer

Claims

Anordnung (1) zur Vorwärmung eines Fluids (7) in einem Kraftwerk, insbesondere in einem Dampfkraftwerk, in der ein Kondensator (5) angeordnet ist und das Fluid (7) in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Enthitzer (3) oder einer Entspannungsvorrichtung (2) und Kondensator (5) mindestens ein weiterer Kondensator (4) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (4) Bestandteil des Enthitzers (3) ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung (2) eine Turbine ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Enthitzer (3) als Wärmeaustauscher ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmung in dem Enthitzer (3) und/oder in dem zusätzlichen Kondensator (4) stattfindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterkühlung in dem Kondensator (5) stattfindet.
Verfahren zur Vorwärmung eines Fluids (7), bei dem ein Fluid (7) in einem thermodynamischen Kreisprozess geführt wird, in dem das Fluid (7) kondensiert und unterkühlt wird, wobei das Fluid (7) nach der Unterkühlung vorgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) vor der Unterkühlung eine Teilkondensation erfährt, wobei Teilkondensationswärme für die Vorwärmung des Fluids (7) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) vor der Vorwärmung eine Druckerhöhung erfährt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Teilkondensation und danach die restliche Kondensation erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Enthitzungswärme zur Vorwärmung des Fluids (7) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkondensationswärme in einem die Enthitzung erzeugenden Enthitzer (3) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Fluids (7) mittels der Teilkondensationswärme im Gegenstromverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Fluids (7) mittels der Enthitzungswärme im Gegenstromverfahren erfolgt.
Verwendung einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 für ein Dampfkraftwerk.