DE102014217280A1 - Method and arrangement of a steam turbine plant in combination with a thermal water treatment - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage mit – einem ersten Kondensator zum kondensieren von Rohwasser aus einem Abgas einer Dampfturbine, – einem Verdunster zum Betrieb mit Rohwasser und Luft, wobei in dem Verdunster Stoff- und Wärmeübertragung stattfinden, – einem Tank zum Auffangen des mit Verunreinigungen aufkonzentrierten Rohwassers, – einem zweiten Kondensator zum kondensieren des reinen Wassers aus der Luft nach dem Verdunster, – wenigstens einer Dampfturbine zum Betrieb mit dem gereinigten Wasser.The invention relates to an arrangement and a method for operating a steam turbine plant in combination with a thermal water treatment plant with - a first condenser for condensing raw water from an exhaust gas of a steam turbine, - a Verdunster for operation with raw water and air, wherein in the evaporator material and Heat transfer take place, - a tank for collecting the contaminated raw water, - a second condenser for condensing the pure water from the air after the evaporator, - at least one steam turbine for operation with the purified water.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage zur Reinigung von Kondensat aus dem Abgas eines Dampfturbinenprozesses. The invention relates to a method and an arrangement for operating a steam turbine plant in combination with a thermal water treatment plant for the purification of condensate from the exhaust gas of a steam turbine process.
Dampfkraftwerke gehören zur vorherrschenden Bauart der Kraftwerke zur Stromerzeugung. An die Wasserqualität des Kesselspeisewassers des Wasserkreislaufs solcher Kraftwerke werden hohe Anforderungen gestellt. Beim Verdampfen des Kesselspeisewassers zu Dampf wird je nach Bauart auf heißen Oberflächen flüssiges Wasser komplett in die Gasphase überführt. Sämtliche nichtflüchtige Kesselspeisewasserkomponenten werden dabei auf dieser heißen Oberfläche abgelagert. Nachteiligerweise behindern diese Ablagerungen den Wärmeübergang oder führen zum mechanischen Ausfall von beispielsweise Ventilen. Weiterhin führen viele anorganische Inhaltsstoffe im Kesselspeisewasser dazu, dass die Korrosionsneigung der Bauteile im Wasserdampfkreislauf noch weiter zunimmt. Dies kann zu Spannungsrissen in Bauteilen, insbesondere Bauteilen aus Stahl, führen. Steam power plants are the predominant type of power plants for power generation. High demands are placed on the water quality of the boiler feed water of the water cycle of such power plants. When evaporating the boiler feed water to steam, depending on the design, liquid water is completely transferred to the gas phase on hot surfaces. All non-volatile boiler feedwater components are deposited on this hot surface. Disadvantageously, these deposits hinder the heat transfer or lead to mechanical failure of, for example, valves. Furthermore, many inorganic constituents in the boiler feed water cause the corrosion tendency of the components in the steam cycle to increase even further. This can lead to stress cracks in components, in particular components made of steel.
Zur Minderung der korrosiven Eigenschaften von Wasser bzw. Wasserdampf in Wasserdampfkreisläufen existieren verschiedene Verfahren der Konditionierung. Hierzu zählen vor allem die Alkalisierung des Wassers und die Sauerstoffdosierung. Sowohl ein erhöhter pH-Wert als auch eine erhöhte Redoxspannung führen zu einer verminderten Löslichkeit von Eisenoxid. Allerdings kann eine Alkalisierung mit festen Alkalisierungsmitteln nachteiligerweise nicht in Durchlauferhitzern angewandt werden, da hier das Wasser vollständig verdampft wird und somit Ablagerungen auftreten würden. Daher wird in diesem Fall häufig Ammoniak als flüchtiges Alkalisierungsmittel eingesetzt. To reduce the corrosive properties of water or water vapor in steam circuits, there are various methods of conditioning. These include above all the alkalization of the water and the oxygen dosage. Both an increased pH and an increased redox potential lead to a reduced solubility of iron oxide. However, alkalization with solid alkalizing agents can not be used disadvantageously in instantaneous water heaters, since the water is completely vaporized here and thus deposits would occur. Therefore, ammonia is often used as the volatile alkalizing agent in this case.
Zur Reinigung des Kesselspeisewassers von Verunreinigungen sind unterschiedliche Aufbereitungsverfahren bekannt. Diese Verfahren basieren in der Regel auf Ionenaustausch. Ionenaustauschprozesse können allerdings auch als Kontaminationsquelle auftreten. Abbauprodukte des Harzmaterials können sich auf trockenen Oberflächen verschiedener Bauteile im Wärmedampfkreislauf nachteilerweise ablagern. Weiterhin kann die Reinigung des Kesselspeisewassers mit einem Umkehrosmoseprozess bewerkstelligt werden. Bei der Umkehrosmose jedoch führen hohe Belastungen des Rohwassers nachteilig zu einem erniedrigten Flux bei der Umkehrosmose. Des Weiteren sind die bekannten Verfahren sehr energieintensiv. For purification of the boiler feed water from impurities different treatment methods are known. These methods are usually based on ion exchange. However, ion exchange processes can also occur as a source of contamination. Degradation products of the resin material can disadvantageously deposit on dry surfaces of various components in the heat-steam circuit. Furthermore, the cleaning of the boiler feed water can be accomplished with a reverse osmosis process. In reverse osmosis, however, high loads of raw water disadvantageously lead to a reduced flux in the reverse osmosis. Furthermore, the known methods are very energy intensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Wasseraufbereitung für einen Wasserdampfkreislauf anzugeben, welche die genannten Nachteile überwinden. Object of the present invention is to provide a method and an arrangement for water treatment for a steam cycle, which overcome the disadvantages mentioned.
Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 und mittels einer Anordnung gemäß Anspruch 9 gelöst. The object is achieved by means of a method according to claim 1 and by means of an arrangement according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird Wasserdampf aus einer Dampfturbinenanlage in einem ersten Kondensator zu Rohwasser kondensiert. Wenigstens ein Anteil des Rohwassers wird mit einem Trägergas in einen Verdunster gegeben, wobei in dem Verdunster zwischen Rohwasser und dem Trägergas ein Stoff- und ein Wärmeübergang stattfinden. Das Rohwasser und das Trägergas werden in dem Verdunster im Gegenstrom geführt. Dabei erwärmt sich das Trägergas in dem Verdunster und reines Wasser wird aus dem Rohwasser von dem Trägergas aufgenommen. Das Rohwasser kühlt ab und die Verunreinigungen, insbesondere die schwer flüchtigen Verunreinigungen, konzentrieren sich in dem Rohwasser auf. Das Rohwasser mit den aufkonzentrierten Verunreinigungen wird nach dem Verdunster in einem Tank gesammelt. Das mit reinem Wasser beladene Trägergas wird in einen zweiten Kondensator geführt. In dem zweiten Kondensator wird das gereinigte Wasser aus dem Trägergas kondensiert, wobei der zweite Kondensator mit Rohwasser aus dem Tank gekühlt wird. Das gereinigte Wasser wird anschließend in einen Wasserdampfkreislauf zurückgeführt. Das im zweiten Kondensator vorgewärmte Rohwasser wird zu einem ersten Heizer geführt, wobei Wärme aus der Dampfturbinenanlage oder dem Wasserdampfkreislauf an das vorgewärmte Rohwasser übergeht. Das vorgewärmte Rohwasser wird danach aus dem Heizer in den Verdunster geführt. The inventive method for operating a steam turbine plant in combination with a thermal water treatment plant comprises several steps. First, steam is condensed from a steam turbine plant in a first condenser to raw water. At least a portion of the raw water is added with a carrier gas in a vaporizer, wherein in the evaporator between raw water and the carrier gas, a mass transfer and a heat transfer take place. The raw water and the carrier gas are passed in the evaporator in countercurrent. In this case, the carrier gas is heated in the evaporator and pure water is taken from the raw water of the carrier gas. The raw water cools down and the impurities, especially the low-volatile impurities, concentrate in the raw water. The raw water with the concentrated impurities is collected after the evaporator in a tank. The laden with pure water carrier gas is fed into a second capacitor. In the second condenser, the purified water is condensed from the carrier gas, and the second condenser is cooled with raw water from the tank. The purified water is then returned to a steam cycle. The preheated in the second condenser raw water is fed to a first heater, with heat from the steam turbine plant or the steam cycle passes to the preheated raw water. The preheated raw water is then passed from the heater in the evaporator.
Die Anordnung zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage umfasst einen ersten Kondensator zum Kondensieren von Wasserdampf aus der Dampfturbinenanlage zu Rohwasser. Weiterhin umfasst sie einen Verdunster zum Betrieb mit Rohwasser und einem Trägergas, wobei in dem Verdunster Stoff- und Wärmeübertragung stattfindet. Weiterhin umfasst die Anordnung einen Tank zum Auffangen des mit Verunreinigungen aufkonzentrierten Rohwassers. Die Anordnung umfasst weiterhin einen zweiten Kondensator zum Kondensieren des reinen Wassers aus dem Trägergas nach dem Verdunster. Die Anordnung umfasst auch wenigstens eine Dampfturbine zum Betrieb mit wenigstens einem Anteil des gereinigten Wassers. The arrangement for operating a steam turbine plant in combination with a thermal water treatment plant comprises a first condenser for condensing water vapor from the steam turbine plant to raw water. Furthermore, it comprises a Verdunster for operation with raw water and a carrier gas, wherein takes place in the evaporator material and heat transfer. Furthermore, the arrangement comprises a tank for collecting the raw water concentrated with impurities. The arrangement further comprises a second condenser for condensing the pure water from the carrier gas after the evaporator. The arrangement also includes at least one steam turbine for operation with at least a portion of the purified water.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung nutzen vorteilhafterweise sowohl Wärme aus dem Dampfturbinenprozess und dem Wasserdampfkreislauf, insbesondere dem Dampferzeuger, als auch Komponenten des Abgases der Dampfturbine, insbesondere den Wasserdampf. Die Verdunstung des Rohwassers aus dem Abgas der Dampfturbine arbeitet nach dem Prinzip der erzwungenen Konvektion. Der Rohwasser gekühlte zweite Kondensator sorgt vorteilhaft für die Rückgewinnung der Verdunstungswärme. Das Wasser und das Trägergas werden vorteilhaft im Gegenstrom durch den Verdunster geführt. Die Temperatur des Trägergases steigt dabei während des Gegenstromprozesses an, während die Temperatur des Rohwassers sinkt. Auf einer Höhe bzw. einer Trennstufe des Verdunsters ist die Lufttemperatur niedriger als die Temperatur des Rohwassers. Vorteilhafterweise wird durch die Kopplung der Wärmeströme ein geringer elektrischer Energiebedarf und geringe sonstige Betriebskosten des Reinigungsprozesses des Kesselspeisewassers der Dampfturbine erreicht. Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, unabhängig von der Qualität des Rohwassers, als Produkt voll entsalztes Wasser, welches von schwer flüchtigen Komponenten gereinigt wurde, mit gleichbleibender Produktqualität zu erhalten. Vorteilhaft muss Wärme lediglich bei niedrigem Temperaturniveau bereitgestellt werden. Die Wasseraufbereitung kommt nahezu ohne zusätzlichen elektrischen Energieeintrag aus. Die erforderliche thermische Energie wird vorteilhaft der Dampfturbinenanlage oder dem Wasserdampfkreislauf entnommen. Der Wasserdampfkreislauf umfasst typischerweise wenigstens einen Dampferzeuer, mehrere Kondensatoren und Heizer. The inventive method and the arrangement advantageously use both heat from the steam turbine process and the Steam circuit, in particular the steam generator, as well as components of the exhaust gas of the steam turbine, in particular the water vapor. The evaporation of the raw water from the exhaust gas of the steam turbine works on the principle of forced convection. The raw water cooled second capacitor advantageously provides for the recovery of the heat of evaporation. The water and the carrier gas are advantageously conducted in countercurrent through the evaporator. The temperature of the carrier gas increases during the countercurrent process, while the temperature of the raw water decreases. At an altitude or a separation stage of the evaporator, the air temperature is lower than the temperature of the raw water. Advantageously, a low electrical energy requirement and low other operating costs of the cleaning process of the boiler feed water of the steam turbine is achieved by the coupling of the heat flows. Furthermore, it is possible with the method, regardless of the quality of the raw water, as a product of fully desalinated water, which has been purified from poorly volatile components, to obtain a consistent product quality. Advantageously, heat must be provided only at a low temperature level. The water treatment comes with almost no additional electrical energy input. The required thermal energy is advantageously taken from the steam turbine plant or the steam cycle. The steam cycle typically includes at least one steam generator, multiple condensers, and heaters.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Rohwasser Ammoniak als Konditionierungsmittel für das Kesselspeisewasser für den Dampfturbinenprozess. Weiterhin wird der pH-Wert des Rohwassers vor dem Verdunster derart sauer eingestellt, dass das Ammoniak im Verdunster im Rohwasser verbleibt. Ammoniak für sich gesehen ist eine leicht flüchtige Komponente. Ammoniak in Wasser kann derart konditioniert werden, dass das Ammoniak als Ammonium-Ion vorliegt. Dies ist für niedrige pH-Werte von wenigstens einer pH-Einheit unterhalb des pKs-Wertes von Ammoniak von 9,2 der Fall. Liegt Ammoniak in Wasser hydrolysiert als Ammonium-Ion vor, verliert es seine Flüchtigkeit. Dadurch kann es im Verdunster abgetrennt werden, da es nicht in die Gasphase übergeht. In an advantageous development of the invention, the raw water comprises ammonia as a conditioning agent for the boiler feed water for the steam turbine process. Furthermore, the pH of the raw water before the evaporator is adjusted so acidic that the ammonia remains in the evaporator in the raw water. Ammonia by itself is a volatile component. Ammonia in water can be conditioned so that the ammonia is present as an ammonium ion. This is the case for low pHs of at least one pH unit below the pKa of ammonia of 9.2. If ammonia is hydrolyzed in water as an ammonium ion, it loses its volatility. This allows it to be separated in the evaporator, as it does not pass into the gas phase.
Es ist ebenso denkbar, dass Ammoniak in dem Wasser auch nach der Reinigung vorliegen soll, um die Korrosionseigenschaften des Wassers zu beeinflussen. In dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der pH-Wert derart hoch gewählt, dass er oberhalb des pKs-Wertes vom Ammoniak liegt, so dass dieses leichtflüchtig ist und mit in das Trägergas übergeht und so mit dem gereinigten Wasser im Kondensator wiedergewonnen werden kann. In diesem Fall steht bereits konditioniertes Wasser als Kesselspeisewasser zu Verfügung. It is also conceivable that ammonia should also be present in the water after the purification in order to influence the corrosion properties of the water. In this advantageous development of the invention, the pH is selected to be so high that it is above the pKa value of the ammonia, so that it is volatile and merges with the carrier gas and can thus be recovered with the purified water in the condenser. In this case, conditioned water is already available as boiler feed water.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird in den Tank frisches Rohwasser hinzugegeben. Dieses Rohwasser ist insbesondere Wasser aus dem Kondensat des Abgases der Dampfturbine. Das Rohwasser kann auch Flusswasser, Meerwasser oder Abwasser sein oder aus einer weiteren Wasserquelle stammen. Durch den Prozess der Verdunstung ist es möglich, auch stark verschmutztes Abwasser zu verwenden. Je nach Menge des Rohwassers, welches aus dem Kondensat des Abgases der Dampfturbine anfällt, kann so noch weiteres Wasser dem Prozess zugeführt werden. In one embodiment of the invention, fresh raw water is added to the tank. This raw water is in particular water from the condensate of the exhaust gas of the steam turbine. The raw water can also be river water, seawater or wastewater or come from another source of water. The process of evaporation makes it possible to use heavily polluted wastewater. Depending on the amount of raw water, which is obtained from the condensate of the exhaust gas of the steam turbine, even more water can be supplied to the process.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Temperatur des Rohwassers im Verdunster von 60°C bis 100°C. Durch dieses niedrige Temperaturniveau ist es vorteilhaft möglich, das Rohwasser lediglich mittels der Abwärme des Wasserdampfkreislaufs, insbesondere des Dampferzeugers, oder des Abgases der Dampfturbine zu erhitzen. Dies ist vorteilhaft sehr energiesparend. In a further embodiment of the invention, the temperature of the raw water in the evaporator of 60 ° C to 100 ° C. Due to this low temperature level, it is advantageously possible to heat the raw water only by means of the waste heat of the steam cycle, in particular of the steam generator, or of the exhaust gas of the steam turbine. This is advantageous very energy efficient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Heizer mit der Wärme des Abgases eines Dampferzeugers des Dampfturbinenprozesses betrieben. Die Wasseraufbereitung kommt somit vorteilhaft nahezu ohne zusätzlichen elektrischen Energieeintrag aus. Die benötigte thermische Energie wird vorteilhaft vollständig aus dem Wasserdampfkreislauf oder dem Abgas des Dampfturbinenprozesses entnommen. In a further advantageous embodiment of the invention, the heater is operated with the heat of the exhaust gas of a steam generator of the steam turbine process. The water treatment is thus advantageously almost without additional electrical energy input. The required thermal energy is advantageously removed completely from the steam cycle or the exhaust gas of the steam turbine process.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdunster ein Fallfilmverdunster oder ein Rieselstromverdunster. Bei diesen Verdunsterausführungen ist vorteilhaft die Grenzfläche zwischen dem Trägergas, insbesondere Luft, und dem Rohwasser besonders groß, um Stoff- und Wärmeübergang zu ermöglichen. Typischerweise wird das Trägergas von unten nach oben, das Rohwasser von oben nach unten geführt. In a further embodiment of the invention, the evaporator is a falling film evaporator or a trickle flow evaporator. In these evaporator embodiments, the boundary surface between the carrier gas, in particular air, and the raw water is advantageously particularly large in order to allow material and heat transfer. Typically, the carrier gas from bottom to top, the raw water is passed from top to bottom.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Der Rieselstromverdunster
Das Kesselspeisewasser
Für den Fall, dass Ammoniak nicht aus dem Rohwasser entfernt
Die Notwendigkeit einer Entfernung des Ammoniaks hängt von mehreren Faktoren ab. In erster Linie ist die Art der Kesselspeisewasserkonditionierung entscheidend. Für den Fall, dass die Ammoniakkonzentration begrenzt werden muss, gilt es zu beachten, ob, wie in
Im Falle, dass Ammoniak nicht vollständig aus dem Rohwasser
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