DE102016214447A1

DE102016214447A1 - Kraftwerk mit PCM-Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102016214447A1
Application number: DE102016214447.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Becker; Erich Schmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: US20190301306A1; US10794226B2; KR102165184B1; EP3469190B1; CN109563746B; JP2019527791A; KR20190034602A; CN109563746A; WO2018024409A1; ES2787031T3; JP6803966B2; DE102016214447B4; EP3469190A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk (1) mit einem Wasserdampfkreislauf (2), welcher im Bereich eines Abhitzedampferzeugers (3) mit thermischer Energie zur Dampfbereitung versorgbar ist, wobei der Wasserdampfkreislauf (2) im Bereich des Abhitzedampferzeugers (3) einen Hochdruckteil (11), einen Mitteldruckteil (12) und einen Niederdruckteil (13) umfasst, und wobei weiterhin ein ein Phasenwechselmaterial (21) aufweisender Wärmespeicher (20) umfasst ist, welcher nicht im Bereich des Abhitzedampferzeugers (3) angeordnet ist, wobei zur Versorgung des Wärmespeichers (20) mit thermisch aufbereitetem Wasser eine Zuleitung (25) abgehend vom Hochdruckteil (11) oder dem Mitteldruckteil (12) umfasst ist und eine Ableitung (26) zur Abgabe von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Wärmespeicher (20), welche in den Mitteldruckteil (12), den Niederdruckteil (13) oder eine Dampfturbine (4) mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerk mit einem Wasserdampfkreislauf, welcher im Bereich eines Abhitzedampferzeugers mit thermischer Energie zur Dampfbereitung versorgbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwerks.
Der heutige Energiemarkt erfordert Kraftwerke, die einen flexiblen Betrieb erlauben, um neben verhältnismäßig schnellen An- und Abfahrzeiten gleichzeitig auch einen großen Leistungsbereich abdecken zu können. Insbesondere da in den elektrischen Versorgungsnetzen große Fluktuationen von angebotenen und nachgefragten Strommengen vorliegen können, sind solche Kraftwerke, welche schnell Leistung an die Versorgungsnetze abgeben können, bzw. schnell aus diesen entnehmen können, sehr vorteilhaft. Die Kraftwerke sollten zudem einen hohen Leistungsbereich abdecken, um sowohl bei Spitzenlastbetrieb wie auch bei niedrigen Teillastbetrieben Einsatz zu finden.
Aufgrund dieses erforderlichen Wechsellastbetriebs ist es mitunter auch notwendig, dass das Kraftwerk zeitweilig in Standby betrieben wird, bzw. vom Netz vollständig entfernt wird. Soll aus diesen Zuständen heraus ein möglichst schnelles Anfahren erfolgen, müssen die Funktionsbauteile des Wasserdampfkreislaufs warm gehalten werden, um die thermische Materialermüdung, insbesondere bei dickwandigen Bauteilen durch thermische Spannungen gering zu halten.
Bisher ist es bei der Bereitstellung von Spitzenlasten etwa durch kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke üblich, die Gasturbine zu überfeuern, die Verdichterleitschaufeln stark zu öffnen oder auch eine Wassereindüsung in den Ansaugluftkanal (sog. wet compression) bzw. eine Dampfeindüsung in die Brennkammer der Gasturbine (sog. power augmentation) vorzunehmen.
Herrschen verhältnismäßig hohe Außentemperaturen vor, kann die Leistungssteigerung auch dadurch erreicht werden, dass die Ansaugluft für die Gasturbine mit Verdunstungskühlern oder Kältemaschinen (sog. Chillern) abgekühlt wird. Ebenso kann der Abhitzedampferzeuger (AHDE) mit einer zusätzlichen Feuerung ausgestattet werden, um weitere thermische Energie in den Wasserdampfkreislauf einzubringen.
Bei reinen Dampfkraftwerken ist es darüber hinaus üblich, bei der Dampferzeugung eine Leistungsreserve von bis zu 5% der Spitzenlast vorzuhalten. Wird die Spitzenlast dann nachgefragt, kann eine entsprechende Leistungssteigerung angeboten werden.
Ist ein thermisches Kraftwerk abgeschaltet, dient bspw. im Falle eines Dampfkraftwerks oftmals Hilfsdampf aus einem Hilfsdampferzeuger oder einer Nachbaranlage zur Warmhaltung der Funktionsbauteile in dem Wasserdampfkreislauf. Die Hilfsdampfdrücke sind jedoch verhältnismäßig niedrig, was wiederum die Temperaturen zum Warmhalten nach oben hin stark begrenzt. Außerdem benötigt der Hilfsdampferzeuger in der Regel relativ teures Erdgas bzw. elektrische Energie zur Bereitstellung der erforderlichen Energiemengen, wodurch dieses Verfahren wirtschaftliche Nachteile aufweist.
Aufgrund dieser Nachteile ist es erforderlich, eine weitergehende technische Kraftwerkslösung vorzuschlagen, welche nicht nur die Flexibilisierung des Kraftwerks gewährleistet, sondern auch eine geeignete Warmhaltung der thermischen Funktionsbauteile ermöglicht während das Kraftwerk sich in einem Standby-Betrieb befindet bzw. abgeschaltet wurde.
Diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden gelöst durch ein Kraftwerk gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen vorab wie auch nachfolgend beschriebenen Kraftwerks gemäß Anspruch 11.
Insbesondere werden die der Erfindung zugrundliegenden Aufgaben gelöst durch ein Kraftwerk mit einem Wasserdampfkreislauf, welcher im Bereich eines Abhitzedampferzeugers mit thermischer Energie zur Dampfbereitung versorgbar ist, wobei der Wasserdampfkreislauf im Bereich des Abhitzedampferzeugers einen Hochdruckteil, einen Mitteldruckteil und einen Niederdruckteil umfasst, und wobei weiterhin ein ein Phasenwechselmaterial (PCM) aufweisender Wärmespeicher umfasst ist, welcher nicht im Bereich des Abhitzedampferzeugers angeordnet ist, wobei zur Versorgung des Wärmespeichers mit thermisch aufbereitetem Wasser eine Zuleitung abgehend vom Hochdruckteil oder dem Mitteldruckteil umfasst ist und eine Ableitung zur Abgabe von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Wärmespeicher, welche in den Mitteldruckteil, den Niederdruckteil oder eine Dampfturbine mündet.
Weiterhin werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen vorab wie nachfolgend beschriebenen Kraftwerks, welches folgende Schritte umfasst:

– Zuleiten von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Hochdruckteil oder dem Mitteldruckteil an den Wärmespeicher zum Aufladen;
– Rückführen von flüssigem Wasser mittels der Rückführleitung an das Mitteldruckteil;
– Unterbrechen der Zuleitung von thermisch aufbereitetem Wasser bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks oder einer vorbestimmten Temperatur in dem Wärmespeicher;
– Ableiten des bevorrateten Wassers in dem Wärmespeicher nach dem Unterbrechen an den Mitteldruckteil, den Niederdruckteil oder die Dampfturbine mittels der Ableitung.

Erfindungsgemäß ist also ein energetisches Wärmespeicherkonzept vorgeschlagen, welches in das Kraftwerk integriert ist. Der Wärmespeicher weist zur effizienten thermischen Energiebevorratung ein Trägermedium auf, welches nur verhältnismäßig geringe Volumenänderungen beim Ein- bzw. Ausspeichern der thermischen Energie vollführt. Diese Materialien, Phasenwechselmaterialien (PCM), werden in den Wärmespeicher integriert und ermöglichen die Speicherung von relativ großen thermischen Energiemengen auf verhältnismäßig kleinem Raum. Das Phasenwechselmaterial wird in dem Wärmespeicher durch Dampf aus dem Hochdruckteil oder dem Mitteldruckteil versorgt, wodurch sich sowohl das sich in dem Wärmespeicher befindliche Phasenwechselmaterial thermisch auflädt als auch der Wärmespeicher selbst etwa mit Dampf anfüllen lässt.
Das thermisch aufgeladene Phasenwechselmaterial gewährleistet hierbei ein weitgehend konstantes Temperaturniveau, soweit der temperaturbedingte Phasenwechsel in dem Phasenwechselmaterial noch nicht abgeschlossen ist. Die thermischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Das Phasenwechselmaterial kann in dem Wärmespeicher etwa in gekapselter Form vorliegen, z. B. kugelförmig, eiförmig, pelletförmig, in Form von kurzen oder langen Stangen, etc., und ist von dem Wasserdampf aus dem Hochdruckteil bzw. dem Mitteldruckteil umgeben bzw. wird von diesem umströmt. Es kann also ein direkter Kontakt zwischen dem Wasserdampf und dem möglicherweise verkapselten Phasenwechselmaterial erfolgen.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass der Hochdruckteil, der Mitteldruckteil und der Niederdruckteil des Wasserdampfkreislaufs sich voneinander aufgrund der vorherrschenden Temperaturen bzw. des Druckniveaus im Wasserdampfkreislauf unterscheiden. Niederdruckteil, Mitteldruckteil wie Hochdruckteil können alle einen eigenen Druckkessel, einen eigenen Economizer, einen eigenen Wärmetauscher sowie einen eigenen Überhitzer bzw. Zwischenüberhitzer aufweisen. Die Begriffe Hochdruckteil, Mitteldruckteil sowie auch Niederdruckteil sind allgemeine Fachbegriffe und werden in der Kraftwerkstechnik hinlänglich verwendet. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass diese Begriffe nicht austauschbar verwendbar sind.
Aufgrund der Bevorratung von thermischer Energie, insbesondere in Verbindung mit thermisch aufbereitetem oder aufbereitbarem Wasserdampf können somit Lastwechsel des Kraftwerks unterstützt werden. Insbesondere bei Spitzenlastbetrieb kann Wasserdampf mit einem hohen Energieinhalt aus dem Wärmespeicher entnommen bzw. in diesem aufbereitet werden und zur elektrischen Stromerzeugung der Dampfturbine zugeführt werden. Aufgrund des zusätzlichen Dampfes steht zur Energieerzeugung relativ vermehrt thermische Energie bereit, welche in der Dampfturbine umgesetzt werden kann.
Ebenfalls kann beispielsweise Dampf aus dem Wärmespeicher entnommen bzw. in diesem aufbereitet werden, wenn die Funktionsbauteile des Wasserdampfkreislaufs warmgehalten werden sollen, ohne dass jedoch etwa der Abhitzedampferzeuger regulär oder überhaupt befeuert würde. Mit anderen Worten kann das Kraftwerk sich etwa im Standby-Betrieb befinden bzw. abgeschaltet sein, wobei dennoch thermische Energie aus dem Wärmespeicher für die Warmhaltung der thermischen Funktionsbauteile des Wasserdampfkreislaufs zur Verfügung stehen kann.
Aufgrund der hohen speicherbaren thermischen Energiedichte in dem Wärmespeicher, welche durch die Verwendung des Phasenwechselmaterials ermöglicht wird, kann energetisch besonders vorteilhaft eine Warmhaltung erreicht werden. Ein elektrisch bzw. ein Brennstoff betriebener Hilfsdampferzeuger ist damit nicht mehr notwendig. Da das Phasenwechselmaterial, nach seiner Aufladung, über verhältnismäßig lange Zeiträume auch ein weitgehend gleichbleibendes Temperaturniveau bereitstellen kann, kann auch der Wasserdampf in dem Wärmespeicher, welcher mit dem Phasenwechselmaterial in thermischer Wechselwirkung steht, auf einem weitgehend gleichen Temperaturniveau gehalten werden. Dies wiederum gewährleistet ein zeitlich langes Versorgen der thermischen Funktionsbauteile des Wasserdampfkreislaufs mit thermisch konditioniertem Wasser aus dem Wärmespeicher.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher als Druckbehälter ausgeführt ist, in welchem das Phasenwechselmaterial angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial kann hierbei in vereinzelten Stücken vorliegen, so dass es beim Beladen des Wärmespeichers mit thermisch aufbereitetem Wasser bzw. Wasserdampf direkt in Kontakt ist. Alternativ kann auch das Phasenwechselmaterial etwa auch um den Druckbehälter herum angeordnet sein, so dass die Wärmeübertragung zwischen Phasenwechselmaterial und Wasser bzw. Wasserdampf über die Seitenwandungen des Wärmespeichers erfolgt. Das Phasenwechselmaterial sorgt für eine Erhöhung der Wärmekapazität des Wärmespeichers und damit für eine verhältnismäßig kleinere Bauart.
Das Phasenwechselmaterial ist natürlich an die gewünschten bzw. vorherrschenden Temperaturen in dem Wärmespeicher geeignet angepasst. In anderen Worten liegt der Temperaturbereich des Phasenwechsels des Phasenwechselmaterials nahe oder an der erforderlichen bzw. gewünschten Speichertemperatur in dem Wärmespeicher. Dies gilt natürlich auch für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftwerks.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher einen Sparger aufweist, über welchen das thermisch aufbereitete Wasser aus der Zuleitung in den Wärmespeicher verteilt werden kann. Ein Sparger ist hierbei im Wesentlichen ein Leitungsverbund, welcher zahlreiche kleine Öffnungen aufweist, über welche das thermisch aufbereitete Wasser in den Wärmespeicher verteilt werden kann. Der Sparger gewährleistet bei Einbringung des thermisch aufbereiteten Wassers in den Wärmespeicher eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung aller Bereiche des Wärmespeichers mit thermischer Energie, wodurch insbesondere die Einspeicherraten erhöht werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher mindestens eine Druckmesseinrichtung und/oder eine Temperaturmesseinrichtung aufweist.
Die Beladung sowie auch die Entladung des Wärmespeichers kann damit temperaturabhängig bzw. druckabhängig erfolgen. Dazu kann das Kraftwerk zudem auch noch etwa ein Regelventil in der Zuleitung wie auch in der Ableitung umfassen, welche die erforderlichen Flüsse bzw. Drücke einzustellen erlauben. Mit Hilfe einer weitergehenden geeigneten Regelung kann so der Wärmespeicher druck- bzw. temperaturabhängig be- und entladen werden. Eine derartige Reglung kann in die Leittechnik des Kraftwerks integriert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Ableitung ein Flash-Tank geschaltet ist, welcher eine Trennung von dampfförmigem und flüssigem Wasser ermöglicht. Über den Flash-Tank können so etwa dampfförmige Anteile des abgeleiteten Wassers abgetrennt und möglicherweise erneut dem Wasserdampfkreislauf zur weitergehenden Nutzung zugeführt werden. Insbesondere kann ein derartiger dampfförmiger Anteil in den Niederdruckteil des Wasserdampfkreislaufs eingeleitet werden, um für eine weitergehende Nutzung bereitzustehen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zuleitung von einem Economizer oder von einer Dampftrommel des Mitteldruckteils abgeht. Demensprechend kann der Wärmespeicher mit verhältnismäßig günstig thermisch aufbereitetem Wasser versorgt werden, wodurch eine Aufladung des Wärmespeichers bei relativ geringen Kosten erfolgen kann.
Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Zuleitung von einem Economizer oder einem Überhitzer des Hochdruckteils abgeht. Da der Hochdruckteil Wasser bei deutlich höherem Druck bzw. höherer Temperatur bereitstellt, ist diese Ausführungsform im Vergleich zu vorhergehenden wirtschaftlich weniger vorteilhaft, erlaubt jedoch den Wärmespeicher auf einen höheren Druck bzw. ein höheres Temperaturniveau aufzuladen. Ebenfalls kann das in dem Wärmespeicher möglicherweise bevorratete thermisch konditionierte Wasser über einen längeren Zeitraum noch nutzbar bereitgehalten werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass eine Rückführleitung vorgesehen ist, welche einerseits mit dem Wärmespeicher fluidtechnisch verschaltet ist und andererseits in das Mitteldruckteil an einem Ort mündet, an welchem flüssiges Wasser geführt wird. Bevorzugt ist dieser Ort die Dampftrommel oder die Speisewasserleitung. Über die Rückführleitung kann somit aus dem Wärmespeicher thermisch angereichertes Wasser abgeführt und in den Wasserdampfkreislauf erneut eingeleitet werden. Insbesondere bei erstmaligem Aufladen des Wärmespeichers, bei welchem eine Dampfkondensation erfolgt, ist es wünschenswert, die kondensierten Anteile wieder in den Wasserdampfkreislauf zurückzuführen, insbesondere an einen Ort, an welchem ebenfalls flüssiges Wasser geführt wird. Dies ist insbesondere im Mitteldruckteil im Bereich der Dampftrommel oder Speisewasserleitung möglich.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass weiterhin eine Rückführleitung vorgesehen ist, welche einerseits mit dem Wärmespeicher fluidtechnisch verschaltet ist und andererseits in einen Flash-Tank mündet, von welchem eine Dampfleitung in das Niederdruckteil führt. Zusätzlich kann auch etwa noch eine Flüssigkeitsleitung in den Niederdruckteil an einer Stelle münden, an welcher flüssiges Wasser geführt wird. Aufgrund der Trennung von dampfförmigen und flüssigen Anteilen in dem Flash-Tank kann so der Niederdruckteil mit dampfförmigen sowie auch mit flüssigen Anteilen des thermisch konditionierten Wassers versorgt werden. Die Nutzung des Flash-Tanks erfordert also keine phasenspezifische Rückführung von thermisch konditioniertem Wasser in der Rückführleitung, da die dampfförmige Phase von der flüssigen Phase in dem Flash-Tank abgetrennt werden kann. Infolgedessen kann etwa Nassdampf aus dem Wärmespeicher über die Rückführleitung an das Niederdruckteil zurückgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftwerk weiterhin einen Dampfüberhitzer aufweist, welcher in die Ableitung stromab des Wärmespeichers geschaltet ist und ebenfalls ein Phasenwechselmaterial aufweist. Der Dampfüberhitzer kann hierbei beispielsweise auch wie der Wärmespeicher als eine Kombination von Dampfspeicher und integriertem Phasenwechselmaterial ausgebildet sein. Eine beispielhafte Ausbildung weist etwa die Form einer Speicherbox auf, die in einen Standardcontainer integriert ist und geeignete Anschlussstellen für eine Zuleitung bzw. Ableitung aufweist. Die Zuführung von thermisch aufbereitetem Wasserdampf aus dem Wärmespeicher kann hierbei auf unterschiedliche Weise erfolgen. Je nach betrieblicher Anforderung kann etwa die Zuführung so gestaltet sein, dass z. B. erzeugter Sattdampf in die Dampfleitung des Mitteldruckteils vor dem Überhitzer eingeleitet wird oder der überhitze Dampf aus dem Dampfüberhitzer zwischen Zwischenüberhitzer-Heizflächen in die Leitung des Zwischenüberhitzers zugeführt wird. Andere Zuführungsmöglichkeiten sind je nach Erfordernis denkbar. Die Nutzung des Dampfüberhitzers erhöht weiterhin die Flexibilität des Kraftwerks und erlaubt auch überhitzten Dampf in dem Wasserdampfkreislauf kostengünstig zu nutzen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Kraftwerks ist vorgesehen, dass das Ableiten des bevorrateten Wassers nach einer Anforderung zur Sekundärfrequenzstützung erfolgt und das bevorratete Wasser an dem Mitteldruckteil zwischen der Dampftrommel und dem Überhitzer des Mitteldruckteils abgeleitet wird. Das abgeleitete, thermisch aufbereitete Wasser aus dem Wärmespeicher wird folglich in dem Überhitzer des Mitteldruckteils nochmal thermisch soweit konditioniert, dass Dampf von einem ausreichend hohen Temperaturniveau bereitgestellt werden kann, um den Leistungsbetrieb der Dampfturbine zu erhöhen. Obwohl teilweise thermische Energie aus dem Überhitzungsprozess zur Leistungssteigerung benutzt wird, wird dennoch eine signifikante Menge an thermischer Energie aus dem Wärmespeicher für die Leistungssteigerung abgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ableiten des bevorrateten Wassers beim Start der Dampfturbine erfolgt und das bevorratete Wasser direkt an die Dampfturbine abgeleitet wird, ohne zunächst dem Mitteldruckteil oder dem Niederdruckteil des Kraftwerks zugeleitet zu werden. Bevorzugt wird hierbei also das abgeleitete Wasser nochmal thermisch weiter aufbereitet, indem etwa ein weiterer, zweiter Wärmespeicher bzw. Dampfüberhitzer bereitgestellt wird, der in die Ableitung geschaltet ist und nochmals an das abgeleitete Wasser thermische Energie abgibt. Ein solcher zweiter Wärmespeicher kann beispielsweise auch als Wärmespeicher mit Phasenwechselmaterial ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Ableiten des bevorrateten Wassers bei einem Bereitschaftszustand der Dampfturbine erfolgt, zu welchem die Dampfturbine keine Leistung abgibt. Das abgeleitete Wasser wird bevorzugt wieder mit einem zweiten Wärmespeicher nochmals thermisch aufbereitet und einer Zwischenüberhitzung zugeführt. Die Dampfturbine befindet sich hierbei etwa im Standby-Betrieb oder ist möglicherweise auch vollständig vom Netz entfernt. Durch die Ableitung des im Wärmespeicher bevorrateten Wassers können somit die thermischen Funktionsbauteile des Wasserdampfkreislaufs warmgehalten werden, wobei etwa auch ein Mindestdruck bereitgestellt werden kann. Dies wiederum fördert nicht nur die schnelle Einsatzbereitschaft des Wasserdampfkreislaufes, sondern es werden auch thermische Materialermüdung vermindert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ableiten des bevorrateten Wassers bei Normallast der Dampfturbine erfolgt und das bevorratete Wasser an den Mitteldruckteil zur weiteren Leistungserhöhung abgeleitet wird. Das abgeleitete Wasser dient also zur Spitzenlastabdeckung.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher beschrieben werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehenden technischen Merkmale gleiche Wirkungsweisen zeigen.
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und insbesondere keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Ausführbarkeit daraus resultieren kann.
Es ist auch anzumerken, dass die nachfolgend beschriebenen technischen Merkmale in beliebiger Kombination miteinander wie auch in beliebiger Kombination mit den vorab beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beansprucht werden, soweit die daraus resultierende Lösung die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe lösen kann.
Hierbei zeigen:
1 eine schematische Schaltansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1;
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1 in schematischer Schaltansicht;
3 eine darüber hinaus gehende dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1 in schematischer Schaltansicht;
4 eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kraftwerks.
1 zeigt eine schematische Schaltansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1, in welchem über einen Abhitzedampferzeuger 3 Wasser in einen Wasserdampfkreislauf 2 thermisch aufbebreitet wird, um nachfolgend dessen thermische Energie mittels einer Dampfturbine 4 in drehmechanische Energie umzusetzen. Der Abhitzedampferzeuger 3 wird insbesondere über das Abgas einer Gasturbine 8 mit thermischer Energie versorgt, wobei die Bereiche des Wasserdampfkreislaufs 2, welche strömungstechnisch näher an der Gasturbine angeordnet sind, eine höhere Temperatur aufweisen. Innerhalb des Abhitzedampferzeugers 3 können die einzelnen Wärmetauscher 3 unterschiedlichen Bereichen zugeordnet werden. Der Bereich, welcher die höchsten Temperaturen und Drücke aufweist, ist der Hochdruckteil 11, der Teil, welcher die nachfolgend höheren Drücke und Temperaturen aufweist, ist der Mitteldruckteil 12 sowie der dritte Teil, der Niederdruckteil 13, weist die geringsten Drücke bzw. Temperaturen auf. Sowohl der Hochdruckteil 11 wie der Mitteldruckteil 12, als auch der Niederdruckteil 13 können einen Economizer aufweisen, einen Wärmetauscher mit Dampftrommel wie auch einen Zwischenüberhitzer oder Überhitzer. Die einzelnen Druckteile 11, 12, 13 sind entsprechend des Druck- bzw. Temperaturniveaus mit einzelnen Turbinen der mehrteiligen Dampfturbine 4 verbunden. So ist der Hochdruckteil 11 mit einer Hochdruck-Dampfturbine 5 verbunden, der Mitteldruckteil 12 mit einer Mitteldruck-Dampfturbine 6 wie auch der Niederdruckteil 13 mit einer Niederdruck-Dampfturbine 7. Die einzelnen Dampfturbinen 5, 6, 7 sind jeweils durch eine Welle miteinander verbunden, wobei auch die Gasturbine 8 etwa über eine Kupplung 9 mit der Dampfturbine 4 über diese Welle verbunden sein kann. Gleichsam ist ein Generator 10 mit der Welle mechanisch verbunden, so dass bei Ausführen der Drehbewegung elektrische Leistung bereitgestellt werden kann.
Weiterhin ist ein Wärmespeicher 20 umfasst, welcher ein Phasenwechselmaterial 21 aufweist, das in den Wärmespeicher 20 integriert ist. Insbesondere ist das Phasenwechselmaterial 21 in Form von Einzelstücken, die verkapselt sind, in dem Wärmespeicher 20 etwa als Schüttung vorliegend. Zur thermischen Aufladung des Wärmespeichers 20 zusammen mit dem darin befindlichen Phasenwechselmaterial 21 kann aus dem Economizer 14 des Mitteldruckteils 12 zunächst thermisch aufbereitetes Wasser etwa in Form von Dampf entnommen werden und dem Wärmespeicher 20 zugeführt werden. Hierzu ist der Wärmespeicher 20 mit dem Economizer 14 des Mitteldruckteils 12 über eine Zuleitung 25 verbunden, wobei mittels eines Zuleitungsventils 28 die Strömungsmenge an aus dem Mitteldruckteil 12 entnommenen thermisch aufbereitetem Wasser eingestellt werden kann. Während des Aufladevorgangs im Wärmespeicher 20 erfolgt normalerweise Kondensation des Dampfes, welcher sich etwa als flüssiges Wasser am Boden des Wärmespeichers 20 absetzt. Das kondensierte Wasser, welches dennoch weiterhin einen hohen thermischen Wärmeinhalt aufweist, kann aus dem Wärmespeicher 20 mittels einer Rückführleitung 24 wieder in die Dampftrommel 15 des Mitteldruckteils 12 zurückgeführt werden. Dort kann das rückgeführte Wasser erneut einer thermischen Aufbereitung im Abhitzedampferzeuger 3 zugeführt werden. Der Verlust von Wasser aus dem Wasserdampfkreislauf 2 kann folglich vermieden werden.
Ist der Wärmespeicher 20 etwa vollständig aufgeladen, d. h. das Volumen des Wärmespeichers 20 ist etwa mit Dampf gefüllt, wobei das Phasenwechselmaterial 21 ebenfalls vollständig aufgeladen vorliegt, kann der Dampf etwa zur Leistungssteigerung bei Betrieb des Kraftwerks 1 aus dem Wärmespeicher 20 wieder entnommen werden. Hierbei wird der Dampf etwa über eine Ableitung 26 dem Mitteldruckteil 12 im Bereich zwischen der Dampftrommel 15 sowie dem Überhitzer 16 des Mitteldruckteils 12 zugeführt. Die Menge an zugeführtem Dampf kann wiederrum über ein Ableitungsventil 27 in der Ableitung 26 eingestellt werden.
Ist nun beispielsweise bei Spitzenlastbetrieb eine erhöhte Abgabe von elektrischer Energie erforderlich, kann die zusätzlich dem Mitteldruckteil 12 zugeführte Dampfmenge einen erhöhten Leistungsbetrieb der Dampfturbine 4 ermöglichen, wodurch vermehrt elektrische Leistung durch den Generator 10 abgegeben werden kann.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1 in schematischer Schaltansicht. Hierbei gleicht der grundlegende Aufbau des Wasserdampfkreislaufs 2 des Kraftwerks 1 der Ausführungsform gemäß 1. Lediglich die Verschaltung des Wärmespeichers 20 ist insofern unterschiedlich, als dass die Zuleitung 25 nicht mit dem Mitteldruckteil 12 sondern dem Hochdruckteil 11 verschalten ist. Die Verschaltung liegt hierbei unmittelbar stromauf des Überhitzers 17 des Hochdruckteils 11 vor. Infolgedessen kann der Wärmespeicher 20 mit Dampf auf einem deutlich höheren Temperaturniveau wie auch Druckniveau aufgeladen werden. Dies wiederum resultiert in einem höheren Energieinhalt in dem Wärmespeicher 20, so dass bei Entladung über die Ableitung 26 in den Mitteldruckteil 12 vergleichsweise mehr Energie zur Leistungssteigerung der Dampfturbine 4 abgeführt werden kann.
3 zeigt eine weitergehende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerks 1, dessen grundlegender Aufbau des Wasserdampfkreislaufs 2 wiederrum den vorhergehenden Ausführungsformen im Wesentlichen gleicht. Der Wärmespeicher 20 hingegen ist als Dampfdruckspeicher ausgeführt, in welchem ein Sparger 32 angeordnet ist, über welchen der über die Zuleitung 25 zugeführte Dampf aus dem Hochdruckteil 11 verhältnismäßig gleichmäßig verteilt werden kann. Der zum Laden des Wärmespeichers 20 erforderliche Dampf wird hierbei aus dem Überhitzer 17 des Hochdruckteils 11 entnommen.
Nach Entnahme von Hochdruckdampf aus dem Wasserdampfkreislauf 2 und Zuleiten in den Wärmespeicher 20 kommt es typischerweise zu einer Kondensation einiger Anteile des Dampfes, wobei diese über die Rückführleitung 24 dem Niederdruckteil 13 zugeleitet werden können. Zur Trennung der dampfförmigen Anteile wie der flüssigen Anteile vor Zuführung an den Niederdruckteil 13 weist das Kraftwerk 1 noch einen Flash-Tank 30 auf, der ebenfalls in die Rückführleitung 24 verschaltet ist. Aus dem Flash-Tank 30 führt eine Dampfleitung 31 ab, die mit der Dampftrommel des Niederdruckteils 13 verschaltet ist. Gleichzeitig kann das flüssige Kondensat in dem Flash-Tank 30 ebenfalls der Dampftrommel des Niederdruckteils 13 zugeführt werden, jedoch in einem Bereich, in welchem die flüssigen Phasen des Wassers angesammelt ist.
Zur weitergehenden thermischen Beladung des Wärmespeichers ist auch eine Wasserzuleitung 33 vorgesehen, welche thermisch aufbereitetes Wasser aus dem Economizer des Mitteldruckteils 12 abführen kann. Die Menge des hierbei geführten Wassers wird über ein Wasserzuleitungsventil 34 in der Wasserzuleitung 33 eingestellt.
Bei Entnahme von thermischer Energie aus dem Wärmespeicher 20 wird der in dem Wärmespeicher 20 angesammelte Dampf über ein nicht weiter mit Bezugszeichen versehenes Flash-Ventil einem Dampfüberhitzer 40 zugeführt, welcher etwa als Speicherbox ausgebildet ist. Der aus diesem Dampfüberhitzer 40 austretende Wasserdampf wird anschließend der Mitteldruck-Dampfturbine 6 der Dampfturbine 4 zugeleitet. Um den aus dem Dampfüberhitzer 40 entnommenen Dampf noch weitergehende thermische Energie zuzuführen, weist der Wasserdampfkreislauf eine Bypassleitung 35 auf, welche den aus dem Dampfüberhitzer 40 abgeführten Dampf mit Dampf aus dem Überhitzer 17 des Hochdruckteils 11 mischt. Der Dampfüberhitzer 40 ist bevorzugt ebenfalls als Wärmespeicher mit Phasenwechselmaterial ausgebildet, wobei die thermische Beladung dieses Dampfüberhitzers 40 im Wesentlichen vergleichbar erfolgt wie die Ladung des Wärmespeichers 20. Die erforderlichen Leitungsabschnitte bzw. Verfahrensschritte sind in der vorliegenden Anmeldung nicht weiter beschrieben, jedoch dem Fachmann verständlich.
4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines vorab beschriebenen Kraftwerks, welches folgende Schritte umfasst:

– Zuleiten von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Hochdruckteil (11) oder dem Mitteldruckteil (12) an den Wärmespeicher (20) zum Aufladen (erster Verfahrensschritt 101);
– Rückführen von flüssigem Wasser mittels der Rückführleitung (24) an das Mitteldruckteil (12) (zweiter Verfahrensschritt 102);
– Unterbrechen der Zuleitung von thermisch aufbereitetem Wasser bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks oder einer vorbestimmten Temperatur in dem Wärmespeicher (20) (dritter Verfahrensschritt 103);
– Ableiten des bevorrateten Wassers in dem Wärmespeicher nach dem Unterbrechen an den Mitteldruckteil (12), den Niederdruckteil (13) oder die Dampfturbine (4) mittels der Ableitung (26) (vierter Verfahrensschritt 104).

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims

Kraftwerk (1) mit einem Wasserdampfkreislauf (2), welcher im Bereich eines Abhitzedampferzeugers (3) mit thermischer Energie zur Dampfbereitung versorgbar ist, wobei der Wasserdampfkreislauf (2) im Bereich des Abhitzedampferzeugers (3) einen Hochdruckteil (11), einen Mitteldruckteil (12) und einen Niederdruckteil (13) umfasst, und wobei weiterhin ein ein Phasenwechselmaterial (21) aufweisender Wärmespeicher (20) umfasst ist, welcher nicht im Bereich des Abhitzedampferzeugers (3) angeordnet ist, wobei zur Versorgung des Wärmespeichers (20) mit thermisch aufbereitetem Wasser eine Zuleitung (25) abgehend vom Hochdruckteil (11) oder dem Mitteldruckteil (12) umfasst ist und eine Ableitung (26) zur Abgabe von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Wärmespeicher (20), welche in den Mitteldruckteil (12), den Niederdruckteil (13) oder eine Dampfturbine (4) mündet.
Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (20) als Druckbehälter ausgeführt ist, in welchem das Phasenwechselmaterial (21) angeordnet ist.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (20) einen Sparger (32) aufweist, über welchen das thermisch aufbereitete Wasser aus der Zuleitung (25) in dem Wärmespeicher (20) verteilt werden kann.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (20) mindestens eine Druckmesseinrichtung und/oder eine Temperaturmesseinrichtung aufweist.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ableitung (26) ein Flash-Tank (30) geschaltet ist, welcher eine Trennung von dampfförmigen und flüssigem Wasser ermöglicht.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (25) von einem Economizer (14) oder von einer Dampftrommel (15) des Mitteldruckteils (12) abgeht.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (25) von einem Economizer (14) oder einem Überhitzer (17) des Hochdruckteils (11) abgeht.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Rückführleitung (24) vorgesehen ist, welche einerseits mit dem Wärmespeicher (20) fluidtechnisch verschaltet ist, und andererseits in das Mitteldruckteil (12) an einem Ort mündet, an welchem flüssiges Wasser geführt wird.
Kraftwerk nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Rückführleitung (24) vorgesehen ist, welche einerseits mit dem Wärmespeicher (20) fluidtechnisch verschaltet ist, und andererseits in einen Flash-Tank (30) mündet, von welchem eine Dampfleitung (31) in das Niederdruckteil (13) führt.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1) weiterhin einen Dampfüberhitzer (40) aufweist, welcher in die Ableitung (26) geschaltet ist und ebenfalls ein Phasenwechselmaterial (21) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfasst: – Zuleiten von thermisch aufbereitetem Wasser aus dem Hochdruckteil (11) oder dem Mitteldruckteil (12) an den Wärmespeicher (20) zum Aufladen; – Rückführen von flüssigem Wasser mittels der Rückführleitung (24) an das Mitteldruckteil (12); – Unterbrechen der Zuleitung von thermisch aufbereitetem Wasser bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks oder einer vorbestimmten Temperatur in dem Wärmespeicher; – Ableiten des bevorrateten Wassers in dem Wärmespeicher nach dem Unterbrechen an den Mitteldruckteil (12), den Niederdruckteil (13) oder die Dampfturbine (4) mittels der Ableitung (26).
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach Anspruch 11, wobei das Ableiten des bevorrateten Wassers nach einer Anforderung zur Sekundärfrequenzstützung erfolgt und das bevorratete Wasser an den Mitteldruckteil (12) zwischen der Dampftrommel (15) und den Überhitzer (16) des Mitteldruckteils (15) abgeleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach Anspruch 11, wobei das Ableiten des bevorrateten Wassers beim Start der Dampfturbine (4) erfolgt und das bevorratete Wasser direkt an die Dampfturbine (4) abgeleitet wird, ohne zunächst dem Mitteldruckteil (12) oder dem Niederdruckteil (13) des Kraftwerks zugeleitet zu werden.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach Anspruch 11, wobei das Ableiten des bevorrateten Wassers bei einem Bereitschaftszustand der Dampfturbine (4) erfolgt, zu welchem die Dampfturbine (4) keine Leistung abgibt.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach Anspruch 11, wobei das Ableiten des bevorrateten Wassers bei Normallast der Dampfturbine (4) erfolgt, und das bevorratete Wasser an den Mitteldruckteil (12) zur weiteren Leistungserhöhung abgeleitet wird.