DE102019006585A1

DE102019006585A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Regelungs- und Niedriglastverhaltens von Dampfkraftwerken

Info

Publication number: DE102019006585A1
Application number: DE102019006585.9A
Authority: DE
Inventors: Günter Mügge; Marcel Kotte
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Verfahren zur Verbesserung des Regelungs- und Niedriglastverhaltens von Dampfkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer notwendigen Leistungsreduzierung, insbesondere für einen Regeleingriff, bei einem Niedriglastzustand, wie Eigenbedarfsinselbetrieb, An- und Abfahrvorgängen, oder bei vorübergehend zu viel produzierter Dampfmenge infolge Störung und Schnellschluss der Turbine, überschüssige thermische Energie dem Dampfkreislauf entnommen und durch einen Desorptionsprozess in einen Sorptionsspeicher (6) insbesondere auf Basis von Zeolith eingespeichert wird und diese gespeicherte thermische Energie zu einem späteren Zeitpunkt insbesondere für die Erhöhung der Kraftwerksleistung oder bei einer reduzierten Feuerungsleistung wieder freigesetzt wird.

Description

Stand der Technik
Dampfkraftwerke mit fossiler oder nuklearer Wärmeerzeugung wurden ursprünglich als Grundlastkraftwerke mit möglichst konstanter Leistung konzipiert. Die zunehmende Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen (Sonne, Wind) macht aufgrund der fluktuierenden und schlecht zu prognostizierenden Verfügbarkeit dieser Quellen eine schnelle Leistungsanpassung dieser Dampfkraftwerke erforderlich. Leider ist die Regelbarkeit der Wärmeerzeuger (Kohlekessel, Kernreaktor) begrenzt, so dass nicht nutzbare thermische Energie an die Umwelt abgeführt werden muss.
Bei der sog. Primärregelung muss der Kraftwerksbetreiber die Erzeugungsleistung innerhalb von 30 Sekunden für ca. 15 Minuten in Abhängigkeit von der jeweiligen Netzfrequenz anpassen (Proportionalregelung). Nach den geltenden Regelungen muss eine Leistungserhöhung oder -reduktion in Höhe von 2% gewährleistet sein. Die Primärregelung erfolgt heute üblicherweise durch die Methoden Drosselung der Hoch- und Mitteldruck-Turbinen, Kondensatstau mit gleichzeitiger Reduktion der Kondensatvorwärmung, Reduktion der Niederdruck- oder Hochdruck-Speisewasservorwärmung. Alle Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Effizienz des Kraftwerksbetriebs gegenüber einem konstanten Betrieb sinkt und weiterhin die Regelungseingriffe zu einem erhöhten Materialverschleiß führen.
Die Sekundärregelung erfolgt aufgrund einer übergeordneten Regelungsanforderung durch den Übertragungsnetzbetreiber und dient der Ausregelung von etwaigen Netzfrequenzabweichungen (Integralregelung). Die dafür notwendige Leistungsanpassung erfolgt üblicherweise durch Erhöhung bzw. Reduktion der Feuerungsleistung des Dampferzeugers.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin bei einer notwendigen Leistungsreduzierung überschüssige thermische Energie zu speichern und diese bei einer späteren Leistungserhöhung wieder frei zu setzen und für die Stromerzeugung im Kraftwerk zu nutzen. Es wird vorgeschlagen, hierzu einen Sorptionspeicher vorzugsweise auf Basis von Zeolith einzusetzen.
In der DE102014115449A1 wird ein Verfahren zur Verbesserung des Regelverhaltens von GuD-Kraftwerken mithilfe eines thermischen Pufferspeichers beschrieben. Die Art des Speichermediums wird darin nicht weiter spezifiziert.
Im Gebrauchsmuster DE202013105759U1 wird eine besondere Form eines Latentwärmespeichers angegeben. Es werden darin verschiedene schmelzbare Materialien als Speichermedium genannt. Thermochemische Prinzipien bzw. Sorptionsverfahren werden dort nicht erwähnt. Eine Anwendung zur Regelungsverbesserung in einem Kraftwerk wird nicht beschrieben.
Das Gebrauchsmuster DE202014101401U1 beschreibt den Einsatz eines Festkörperspeichers für ein solarthermisch beheiztes Dampfkraftwerk.
Die DE 102016218379A1 beschreibt ein Pufferverfahren und eine Puffervorrichtung für ein Dampfkraftwerk. Die thermische Speicherwirkung beruht auf dem Einsatz von sensiblen Festkörper-Speichermedien in Kombination mit bekannten Ruths-Speichern.
Die DE 102012213976A1 beschreibt den Einsatz eines Speichers für einen flexibleren Kraftwerksbetrieb. Als Speicher ist ein Dampfspeicher vorgesehen.
Die DE102014106300A1 beschreibt eine ähnliche Lösung, wobei als Speicher ein Heißwasserspeicher vorgesehen ist.
Obwohl verschiedene Erfindungen Lösungen für den flexibleren Betrieb insbesondere von Dampfkraftwerken auf Basis von thermischen Speichern angeben, weichen diese Lösungen von der vorliegenden Erfindung ab. In den gefundenen Vorveröffentlichungen sind dafür keine Sorptionsspeicher vorgesehen.
Lediglich in der DE102012010270A1 ist der Einsatz von Sorptionsspeichern für Energieerzeugungsanlagen mit Wärme-Kraft-Kopplung insbesondere für dezentrale Anlagen beschrieben. U.a. sollen Latentwärmespeicher und Sorptionsspeicher eingesetzt werden. Der Speichereinsatz dient in dieser Erfindung aber zur zeitlichen Entkopplung der Wärme- und Stromproduktion und nicht zur besseren Regelbarkeit des Kraftwerks.
Der hier vorgeschlagene Einsatz von Sorptionsspeichern insbesondere von Zeolithen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass höhere Energiedichten im Speicher erzielbar sind und das weiterhin die Temperatur, bei der dem Speicher thermische Energie entnommen werden kann, beeinflussbar ist.
Lösungsweg
Zeolithe und auch andere sorptive Stoffe (Sorbente) besitzen eine hohe innere Oberfläche an der gasförmige Stoffe wie z.B. Wasserdampf adsorbiert werden können. Die Adsorption erfolgt als exotherme Reaktion. Die frei werdende Adsorptionsenergie übersteigt dabei deutlich die Verdampfungsenthalpie des jeweiligen Stoffes.
Die Erfindung basiert auf dieser Eigenschaft des eingesetzten Sorbents.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht in der Trocknung des sorptiven Materials, insbesondere von Zeolith bei hoher Temperatur und niedrigem Umgebungsdampfdruck. Zur Trocknung des Sorptionsmaterial wird der Speicher beheizt, um die notwendige Sorptionsenergie zur Desorption des gebundenen Wassers aufzubringen.
Für eine möglichst vollständige Desorption ist ein niedriger Wasserdampfdruck in der Umgebung notwendig. Dies kann im Kraftwerk durch den vorhandenen Kondensator erfolgen, in dem typische Dampfdrücke von etwa 50 mbar erreicht werden. Je nach Beladungszustand des Sorptionsspeichers ist für eine Desorption eine entsprechend hohe Beheizungstemperatur erforderlich.
Bei niedriger energetischer Beladung (hoher Wassergehalt des Sorbents) kann die Beheizung mit mittleren Temperaturen (z.B. 100°C), mit zunehmender Trocknung muss die Beheizungstemperatur angehoben werden. Für eine nahezu vollständige Trocknung des Sorbents sind Temperaturen von über 300°C erforderlich.
Die Beheizung des Sorptionsspeichers kann indirekt über im Sorbent eingebettete Heizrohre oder/und durch Beaufschlagung mit überhitztem Dampf erfolgen.
Je nach Beladungsgrad des Speichers und damit dem notwendigen Temperaturniveau zur weiteren Trocknung kann die Heizwärme aus einer geeigneten Turbinenstufe des Dampfkraftwerks entnommen werden. Bei einer notwendigen kurzfristigen Leistungsreduzierung des Kraftwerks kann so die erzeugte elektrische Leistung deutlich schneller reduziert werden, als es die alleinige Reduzierung der Feuerungsleistung erlauben würde.
Eine Entnahme der gespeicherten Energie erfolgt durch Befeuchtung des Sorptionsmaterial mit Niederdruck-Wasserdampf, bei Freisetzung der Adsorptionsenergie auf höherem Temperaturniveau.

Die 1 und 2 zeigen die Einbindung des erfindungsgemäßen Sorptionspeichers in ein Dampfkraftwerk.

1 zeigt die Medienführung bei der Auskoppelung von Wärme aus dem Dampfkreislauf zur Beheizung und Trocknung des Sorbents.
Liegt eine Regelanforderung zur Reduktion der Kraftwerksleistung vor bzw. wird nicht der gesamte erzeugte Firschdampf für den Kraftwerksprozess benötigt, wird dem Dampfkreislauf eine bestimmte Dampfmenge entnommen. Die Entnahme kann nach dem Zwischenüberhitzer (2) oder aus der Mitteldruck-Turbine (4) entnommen werden, sodass ein hohes Temperaturniveau von z.B. 300°C gewährleistet ist. In einer Ausführungsform wird der Heizdampf mithilfe von Heizrohren durch den Sorptionpeicher (6) geleitet. Bei der Wärmeabgabe an den Sorbenten kondensiert der Heizdampf. Das Kondensat hat noch eine hohe Temperatur und einen Rest-Wärmeinhalt. Diese Restwärme kann zur Niederdruckspeisewasservorwärmung (8) verwendet werden. Durch die Beheizung wird aus dem Sorbent Wasserdampf desorbiert. Dieser wird an den Kondensator (13) abgeführt, sodass niedrige Dampfdrücke im Sorbent und damit eine starke Austrocknung ermöglicht wird.
2 zeigt die Medienführung für die Rückspeisung der in Form von Bindungsenergie gespeicherten Wärme in den Dampfkreislauf.
Soll die Leistung des Kraftwerks nach einem vorangegangenen Regelvorgang wieder gesteigert werden, kann ergänzend zur nur träge regelbaren Kesselfeuerung dem Speicher (6) thermische Energie entnommen werden. Für diese Wärmeentnahme wird dem Sorbent Niederdruck-Wasserdampf zugeführt, der vom Sorbent adsorbiert wird. Die freiwerdende Bindungsenergie übersteigt je nach Trocknungszustand die Verdampfungsenthalpie von Wasser. Die erreichbaren Temperaturen hängen vom Trocknungszustand des Zeoliths und dem Dampfdruck ab, mit dem die Befeuchtung durchgeführt wird. Mit zunehmender Befeuchtung sinkt das erzeugbare Temperaturniveau. Dies lässt sich dadurch kompensieren, dass nach einer Teilentladung der Dampfdruck für die Befeuchtung angehoben wird, in dem der Befeuchtungsdampf einer anderen Turbinenstufe entnommen wird. Die im Sorbent entstehende Wärme wird über in das Zeolith eingebettete Wärmeübertragungsrohre abgeführt und für die Hochdruck-Speisewasservorwärmung (9) verwendet.
Die bei der Adsorption freiwerdende Sorptionswärme kann wie beschrieben wieder im eigentlichen Kraftwerksprozess verwendet werden; sie kann aber auch als Prozesswärme, als Fernwärme oder als thermische Antriebsenergie für eine Sorptionskältemaschine ausgekoppelt werden.
Die 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Sorbent in Form von geschüttetem Granulat eingesetzt (16) wird. Das geschüttete Granulat wird von Wärmeübertragungsrohren (17) durchzogen, die den Sorbenten bei Speicherladung beheizen bzw. die bei Speicherentladung die freigesetzte Wärme aufnehmen. Der ausgetriebene bzw. adsorbierte Wasserdampf wird durch den Dampfanschluss (18) vom bzw. zum Sorbenten transportiert.
In einer weiteren Ausführungsform (4) ist der Sorbent als Formkörper (18) gestaltet, der für eine gute Wärmeübertragung an die Kontur der Heizrohre (16) angepasst ist und in dem Dampfkanäle (20) vorgesehen sind, um eine möglichst gleichmäßige Trocknung bzw. Befeuchtung des Sorbents zu ermöglichen.
Weitere Ausführungsformen werden in den Ansprüchen dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Frischdampferzeuger
2: Zwischendampferzeuger
3: Hochdruckturbine
4: Mitteldruckturbine
5: Niederdruckturbine
6: Sorptionspeicher
7: Turbinenanzapfungen
8: Niederdruckvorwärmer (Kondensatvorwärmer)
9: Hochdruckvorwärmer (Speisewasservorwärmer)
10: Kondensatpumpe
11: Speisewasserbehälter
12: Speisewasserpumpe
13: Kondensator
14: Generator
15: Kessel
16: Schüttung des granulierten Sorbents
17: Wärmeübertragungsrohre
18: Dampfanschluss
19: Formkörper aus Sorptionsmaterial
20: Dampf-Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014115449 A1 [0005]
DE 202013105759 U1 [0006]
DE 202014101401 U1 [0007]
DE 102016218379 A1 [0008]
DE 102012213976 A1 [0009]
DE 102014106300 A1 [0010]
DE 102012010270 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Verbesserung des Regelungs- und Niedriglastverhaltens von Dampfkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer notwendigen Leistungsreduzierung, insbesondere für einen Regeleingriff, bei einem Niedriglastzustand, wie Eigenbedarfsinselbetrieb, An- und Abfahrvorgängen, oder bei vorübergehend zu viel produzierter Dampfmenge infolge Störung und Schnellschluss der Turbine, überschüssige thermische Energie dem Dampfkreislauf entnommen und durch einen Desorptionsprozess in einen Sorptionsspeicher (6) insbesondere auf Basis von Zeolith eingespeichert wird und diese gespeicherte thermische Energie zu einem späteren Zeitpunkt insbesondere für die Erhöhung der Kraftwerksleistung oder bei einer reduzierten Feuerungsleistung wieder freigesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Regeleingriff eine Dampfmenge an der Turbine vorbei geleitet und zur Beheizung des Sorptionsspeichers (6) verwendet wird, wobei die Reduktion des Dampfmassenstromes über die Turbinen (3,4,5) zu einer Reduktion der Turbinenleistung führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Niedriglastzuständen wie Eigenbedarfsinselbetrieb, An- und Abfahrvorgängen usw. dem Dampfkreislauf vor Eintritt in die Mitteldruckturbine (4) eine Zwischendampfmenge entnommen wird und zur Beheizung des Sorptionsspeichers (6) verwendet wird, wodurch die Ventilationsneigung der Hochdruckturbine (3) vermindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Sorptionsspeichers (6) durch aus Anzapfungen (7) der Mitteldruckturbine (4) entnommenem Dampf erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmeort des Heizdampfes nach dem aufgrund des vorliegenden Ladezustand für die Desorption benötigten Temperaturniveau gewählt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Sorptionsspeichers (6) durch direkte Beaufschlagung des Sorbents mit Heizdampf erfolgt und der abgekühlte und entspannte Heizdampf sowie der vom Sorbent desorbierte Dampf an den Kondensator (13) abgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Sorptionsspeichers indirekt mithilfe von durch das Sorbent (16) geführte Wärmeübertragungsrohre (17) erfolgt, wobei durch diese Wärmeübertragungsrohre (17) Heizdampf oder ein zwischengeschaltetes flüssiges Heizmedium wie Heißwasser, Thermoöl, Salzschmelze oder geschmolzenes Natrium geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Wärmeübertragungsrohre (17) geleitete oder zur Beheizung des zwischengeschalteten Heizmediums verwendete Heizdampf nach Abkühlung und Kondensation als Kondensat in die Hochdruck-Speisewasservorwärmung (9) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Wärmeübertragungsrohre (17) geleitete oder zur Beheizung des Heizmediums verwendete Heizdampf nach Abkühlung und Kondensation als Kondensat in die Niederdruck-Speisewasservorwärmung (8) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die \Wärmeübertragungsrohre (17) geleitete oder zur Beheizung des Heizmediums verwendete Heizdampf nach Abkühlung und Kondensation als Kondensat zur Bereitstellung von Prozesswärme und/oder als Heizwärme insbesondere durch Auskopplung in ein Fernwärmnetz verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwendung des abgekühlten und kondensierten Heizdampfes in Abhängigkeit von dem bei der Desorption benötigten Temperaturniveau erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer notwendigen Erhöhung der Kraftwerksleistung dem Sorptionsspeicher (6) die notwendige Wärmemenge mithilfe eines Adsorptionsprozesses wieder entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Sorptionsenergie bei Speicherentladung zur Erzeugung von Prozesswärme, zur Einspeisung in ein Fernwärmenetz oder zum Antrieb einer Sorptionskältemaschine verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Freisetzung der Adsorptionswärme benötigte Wasserdampf Anzapfungen (7) der Turbinen (3,4,5), insbesondere der Niederdruck-Turbine (5) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmeort des zu adsorbierenden Wasserdampf nach dem aufgrund des vorliegenden Ladezustands des Sorptionsspeichers (6) für die Adsorption benötigten Druckniveau gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entladung durch Desorption freiwerdende Wärmeleistung in Form von Heizwasser den Kondensatkühlern der Kondensat- und Speisewasservorwärmung (8,9) oder dem Kreislaufwasservorwärmer des Rauchgaswärmeverschubsystems zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinkoppelung aus dem Sorptionsspeicher (6) in den Vorwärmungsprozess zu einer Reduktion des Brennstoffaufwandes oder kurzfristig zur Erhöhung der Turbinenleistung führt.
Vorrichtung zum Speichern und Freisetzen thermischer Energie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere auf Zeolith basierender Sorptionsspeicher (6), thermische Energie mit hohem Temperaturniveau aus hochgespanntem, überhitztem Dampf als Desorptionswärme aufnehmen und speichern kann und unter Zuführung von Dampf mit niedrigen Drücken und Temperaturen wieder entladen werden kann.
Vorrichtung nach Anspuch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher (6) durch ein geschüttetes Bett (16) aus Zeolith-Granulat oder einem anderen Sorbent gebildet wird und direkt mit Heizdampf beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspuch 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Sorptionsspeicher (6) Wärmeübertragungsrohre (17) geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Sorptionsspeicher (6) geführten Wärmeübertragungsrohre (17) zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche verrippt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt des Heizmediums in die Wärmeübertragungsrohre (17) gegenüber dem Austritt des desorbierten Dampfes aus dem Sorptionsspeicher (6) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt des Wärmeübertragungsmediums in die Wärmeübertragungsrohre (17) gegenüber dem Eintritt des zu absorbierenden Dampfes erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher (6) aus Formkörpern (19) gebildet wird, die an die Kontur der Wärmeübertragungsrohre (17) angepasst sind und weitere Hohlräume als Dampfkanäle (20) aufweisen, um eine möglichst gleichmäßige De- und Adsorption zu ermöglichen.