DE112018003573T5

DE112018003573T5 - Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines Wärmekraftwerks und eine Einrichtung zur Durchführung desselben

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Publication number: DE112018003573T5
Application number: DE112018003573.5T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2020-03-26
Also published as: RU2017124840A; WO2019013669A1; RU2017124840A3

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines Wärmekraftwerks, welches vorsieht: Leiten von Dampf in einen Kondensator, nachdem der Dampf die Arbeit in sämtlichen Turbinengehäusen beendet; dann Umwandeln des Dampfes in die flüssige Phase durch Erhöhen des Dampfdruckes mittels eines Ventilators auf einen Wert oberhalb des Sättigungsdrucks; Stoppen der Kühlwasserzirkulation und Halten der Dampfkondensationswärme im Kreisprozess. Eine Abfolge von Aktionen zum Transferieren von Kraftwerken in den empfohlenen Betriebsmodus wird beschrieben. Das Verfahren wird realisiert, indem der letzte Kranz der Turbinenwelle sämtlicher Niederdruckturbinengehäuse mit Ventilatorflügeln mit einer erforderlichen Konfiguration und Düsen versehen wird, wobei der Ventilator durch seinen eigenen Elektromotor angetrieben wird, der an der Einlassarmatur eines Kondensators angebracht oder in den letzten Turbinenstufen integriert ist. Die Anwendung der Erfindung ermöglicht es, den Wirkungsgrad eines Kraftwerks um 42,5% zu erhöhen und schädliche Emissionen an die Umwelt zu verringern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärme- und Energietechnik und kann in Wärme-, Kern- und Gasturbinen-Kombikraftwerken angewandt werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Der herkömmliche Kreisprozess zur Erzeugung elektrischer Energie in Wärmekraftwerken verläuft gemäß dem folgenden Schema:

Einem Kessel (nachfolgend B) (102) wird mittels einer Förderpumpe (nachfolgend FP) (101) Wasser unter einem bestimmten Druck P1 (113) und einer bestimmten Temperatur T1 (114) zugeführt. In russischen Kraftwerken beträgt ein Druck am Kesseleinlass üblicherweise 3,4 MPa, 8,8 MPa, 12,75 MPa, 23,5 MPa, oder 35 kg/cm², 90 kg/cm², 130 kg/cm² bzw. 240 kg/cm². Dies sind Standardwerte.
Das Wasser wird im Kessel B erhitzt (Wärme Q1 wird zugeführt) und verdampft (Wärme Q2 wird zuführt), der gesättigte Dampf wird an einen Dampfüberhitzer OH (103) geleitet, wo der Dampf auf eine Temperatur T2 von ~ 545°C überhitzt wird (Wärme Q3 wird zugeführt). Der überhitzte Dampf wird an ein Hochdruckturbinengehäuse HPC (104) geleitet, von wo aus Abdampf mit einer Temperatur höher als die Sättigungstemperatur mit verringertem Druck an einen Dampfüberhitzer OH1 (105) geleitet wird. Dieser Dampf wird in dem Dampfüberhitzer auf eine Temperatur von ~ 545°C überhitzt (Wärme Q4 wird zugeführt) und zur nächsten Turbinenstufe geleitet, einem Mitteldruckturbinengehäuse MPC. Nach dem MPC (106) wird Abdampf mit einer Temperatur höher als die Sättigungstemperatur und einem noch stärker verringerten Druck an einen Dampfüberhitzer OH2 (107) geleitet. Im OH2 wird der Dampf erneut auf eine Temperatur von ~ 540°C überhitzt (Wärme Q5 wird zugeführt) und an die nächsten Turbinenstufen, Niederdruckturbinengehäuse LPC (108), geleitet. Je nach Anlagenkapazität werden üblicherweise 2 bis 6 Niederdruckturbinengehäuse eingesetzt.
Das Überhitzen des Dampfes ermöglicht es, eine Durchschnittstemperatur des Wärmeeintrags zu erhöhen, und das Verfahren der Dampfexpansion in der Turbine endet in einem Bereich eines höheren Dampftrockenheitsfaktors, daher sind die Betriebsbedingungen des Turbinenkanals weniger anspruchsvoll.
Der Carnot-Kreisprozess ohne Dampfüberhitzung oder der Rankine-Kreisprozess mit Dampfüberhitzung wird eingesetzt.
Der Turbinenabdampf, der, wenn dieser einen Druck P2 (109) im Bereich von 1,7 kPa bis 4,2 KPa und eine Temperatur T3 (110) im Bereich von 15°C bis 30°C besitzt, bei diesem Druck und dieser Temperatur ein spezifisches Volumen Vs im Bereich von 77,97 m³/kg bis 32,93 m³/kg und eine Kondensationswärme r im Bereich von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg besitzt (diese Werte werden für nachfolgende Berechnungen benötigt), wird an einen Kondensator K (111) geleitet, wo er vollständig kondensiert und in die flüssige Phase überführt wird, wobei r (Kondensationswärme r im Bereich von 2465 kJ/kg bis 2430 KJ/kg, Wärme Q6) an das Kühlwasser abgegeben wird. Pro 1 kg Dampf werden 50 bis 80 kg Kühlwasser benötigt, dessen Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird. Bis zu 45% der während eines Kreisprozesses zugeführten Wärme gehen in dem Kondensator irreversibel verloren.
Eine Kondensatpumpe CP (112) pumpt Wasser aus dem Kondensator, und dieses Wasser wird an eine Förderpumpe FP geleitet, die den Druck auf P1 (3,4 MP, 8,8 MPa, 12,75 MPa, 23,5 MPa; je höher der Druck, desto höher die Siedetemperatur des Wassers) anhebt, wobei T1 nahezu identisch mit T3 ist, und der Kreisprozess wird wiederholt.
Das tatsächliche Layout ist komplizierter, und nur die Hauptteile der Anlage sind oben genannt.
Wasser ist praktisch eine inkompressible Flüssigkeit, daher spielen die zur Erhöhung des Drucks benötigten Leistungsaufnahmen keine Rolle; die Anlage ist ziemlich kompakt.
Mechanische Arbeit, die zur Erhöhung des Wasserdrucks verrichtet werden sollte, kann nach der folgenden Formel berechnet werden: $A = P * dV$
wobei:
- A mechanische Arbeit ist,
- P der Wasserbetriebsdruck ist, der durch die Förderpumpe (FP) am Kesseleinlass erzeugt wird (3,4 MPa, 8,8 MPa, 12,75 MPa, 23,5 MPa),
- dV die Wasservolumenränderung ist, die praktisch = 0, daher ist die Arbeit A unbedeutend.

Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann sämtliche mechanische Arbeit A in Wärmeenergie Q umgewandelt werden, und die Wärmeenergie kann nur mit irreversiblen Verlusten in mechanische Arbeit umgewandelt werden; daher sind A und Q identische Begriffe mit der Maßeinheit J, d.h. verschiedene Arten von ein und derselben Energie.
Ein Nachteil dieses Kreisprozesses ist der irreversible Verlust von Wärme, bis zu 45%, im Kondensator K, mit Kühlwasser. Ein Diagramm dieses Kreisprozesses mit den Koordinaten T und S ist in 2 gezeigt.

1 - 2: Erhöhen des Wasserdrucks durch die Förderpumpe bis zum Betriebsdruck (3,4 MPa, 8,8 MPa, 12,75 MPa, 23,5 MPa). Der Abstand zwischen den Punkten 1 und 2 ist wegen der Inkompressibilität des Wassers sehr klein, die Punkte überdecken sich nahezu. Der Abstand zwischen den Punkten ist in dem Diagramm absichtlich vergrößert, um zu zeigen, dass dieser Prozess existiert.
2 - 3: Erwärmen des Wassers bis zur Siedetemperatur beim Betriebsdruck im Kessel B. Zufuhr von Wärme Q1, die Wassersiedetemperatur hängt vom Betriebsdruck ab.
3 - 4: Verdampfen des Wassers im B, dem Bereich des gesättigten Dampfes, das Siedeverfahren. Zufuhr von Wärme Q2.
34: Punkt 34 in dem Diagramm zeigt den Punkt, bei dem Wasser in Dampf umgewandelt wird, ohne den Wassersiedeprozess für Direct-Flow-Einheiten, die beim überkritischen Druck Pk = 22,1145 MPa betrieben werden.
4 - 5: Überhitzen von trockenem Dampf im Überhitzer OH. Zufuhr von Wärme Q3.
34 - 5: Überhitzen von trockenem Dampf für die Direct-Flow-Einheiten.
5 - 6: Dampfarbeit im Hochdruckturbinengehäuse HPC. Verringerung des Dampfdruckes und der Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur.
6 - 7: Überhitzen von trockenem Dampf im Überhitzer OH1. Zufuhr von Wärme Q4.
7 - 8: Dampfarbeit im Mitteldruckturbinengehäuse MPC. Verringerung des Dampfdruckes und der Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur.
8 - 9: Überhitzen von trockenem Dampf im Überhitzer OH2. Zufuhr von Wärme Q5.
9 - 10: Dampfarbeit in den Niederdruckturbinengehäusen LPC. Verringerung des Dampfdruckes und der Temperatur bis zur Sättigungstemperatur.
10 - 1: Kondensation des Dampfes im Kondensator K mit Kühlwasser, um diesen in die flüssige Phase umzuwandeln. Entnahme von Q6 = r von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg. Irreversible Wärmeverluste mit Kühlwasser, das Wärme an die Atmosphäre abgibt. Anschließend wird der Kreisprozess wiederholt.

Die Arbeit, die in dem Kreisprozess gewonnen werden kann, ist proportional zur Fläche der Figur, die durch die Linien 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 1 begrenzt wird.
Das Patent GB 0002528830 vom 10.02.2016 lehrt ein Verfahren zur Erhöhung des Drucks von noch nicht gesättigtem Abdampf am Turbinenausgang durch Einsatz von Beschleunigungsdüsen, die zusammen mit einem Kompressor verwendet werden, mit anschließender Überhitzung, ohne Dampf in die flüssige Phase zu überführen, und dessen Umlenkung an die Turbine, um Nutzarbeit zu leisten.
Ein Nachteil dieses Verfahren ist eine hohe Energiezufuhr zur Erhöhung des Drucks von nicht gesättigtem Dampf.
Das Patent US 6357235 vom 19.3.2002 schlägt vor, vorkomprimierte atmosphärische Luft zur Erhöhung des Drucks von nicht gesättigtem Dampf einzusetzen, ohne Überführung in die flüssige Phase, mit anschließender Überhitzung, und diesen Dampf an eine Turbine zu leiten.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist eine hohe Energiezufuhr zur Erhöhung des Drucks von nicht gesättigtem Dampf, wie es nachstehend erörtert werden wird.
In dem T-S-Diagramm wird der Kreisprozess durch die Linien 4 - 5 - 6 - 4 begrenzt und wird umfassen:

6 - 4: Erhöhen des Drucks von nicht gesättigtem Dampf.
4 - 5: Dampfüberhitzung.
5 - 6: Dampfarbeit in einer Turbine. Anschließend wird der Kreisprozess wiederholt werden.

Die durch die Linien 4 - 5 - 6 - 4 begrenzte Fläche der Figur ist viel kleiner als die durch die Linien 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10- 1 begrenzte Fläche (verwendete Kreisprozesse), woraus folgt, dass es unmöglich ist, mehr Arbeit zu gewinnen.
Die Arbeit ist proportional zu einer durch die Kreisprozesslinien begrenzten Fläche.

Betrachten wir, welche Arbeit geleistet werden sollte, um 1 kg Dampf gemäß den Patenten GB 0002528830 vom 10.02.2016, US 6357235 vom 19.03.2002 zu komprimieren.

P1 = 3,4 MPa (3400kPa)	Der niedrigste in den Kreisprozessen verwendete Betriebsdruck.
V2 ~ 0,005 m³/kg	Spezifisches Volumen von Dampf bei t = 545°C
V1 = 32,93 m³/kg	Spezifisches Volumen von Dampf bei t = 30°C
A = P1 * (V2 - V1)	Arbeit, die zur Kompression von Dampf durch ein beliebiges Verfahren geleistet werden sollte.
A = P1 * (V2 - V1) = 3400 kPa * (0,005 m³/kg - 32,93 m³/kg) = - 111.945 kJ/kg

Arbeit und Wärme sind identische Begriffe.

Die Arbeit bei der Kompression von Dampf durch ein beliebiges Verfahren (irreversibel verlorengehende Energie), A = 111.945 kJ/kg >> r von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg, ist wesentlich größer als die Kondensationswärme, die in einem Kondensator gemäß klassischen Kreisprozessen irreversibel verloren geht.
Daher wird der Wirkungsgrad der in den obigen Patenten vorgeschlagenen Kreisprozesse niedriger sein als der von bestehenden Kreisprozessen.
Zusammenfassung der technischen Lösung
Das Ziel der vorgeschlagenen technischen Lösung ist, den Wirkungsgrad des Kreisprozesses zur Erzeugung elektrischer Energie in Wärme-, Kern- und Gasturbinen-Kraftwerken mit Kraft-Wasser-Kopplung, die nach dem Carnot- oder Rankine-Kreisprozess arbeiten, deutlich zu erhöhen, indem die irreversiblen Wärmeverluste in einem Kondensator durch Ersetzen eines Teils der bestehenden Kreisprozesse durch den vorgeschlagenen neuen Kreisprozess deutlich verringert werden.
Das oben beschriebene Ziel wird durch ein prinzipiell anderes Verfahren zur Lösung der technischen Aufgabe der Verringerung von Wärmeverlusten in einem Kondensator erreicht, durch das es möglich wird, den Wirkungsgrad des Wärmekreisprozesses deutlich zu erhöhen.
Insbesondere wurde festgestellt, dass gesättigter Wasserdampf zu kondensieren beginnt, wenn sein Druck leicht über den Sättigungsdruck erhöht wird. In diesem Fall wird übersättigter Dampf in die flüssige Phase umgewandelt. Gemäß dem Erfindungsgedanken wird vorgeschlagen, den Wärmekreisprozess bei bestehenden Anlagen mit den bereits festgelegten Parametern bis zu Punkt 10 in dem T-S-Diagramm durchzuführen; wenn der Dampf seine Arbeit in sämtlichen Turbinengehäusen verrichtet hat, sollte er an den Kondensator geleitet werden, wo der Druck über den Sättigungsdruck hinaus angehoben werden sollte, und das Zirkulieren von Kühlwasser durch den Kondensator sollte langsam gestoppt werden. Da der Druck im Kondensator höher als der Sättigungsdruck sein wird, wird der Dampf in die flüssige Phase umgewandelt werden. Die Dampfkondensationswärme wird im Kreisprozess verbleiben.
Die Abdampfparameter am Turbinenausgang werden sein: P2 im Bereich von 1,7 kPa bis 4,2 kPa, Temperatur T3 von 15°C bis 30°C, und Kondensationswärme r von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg.
Eine Einrichtung zur Druckerhöhung kann extern sein, angetrieben von ihrem eigenen Elektromotor, entweder an der Kondensatoreinlassarmatur angebracht oder in den letzten Stufen der Turbine integriert. Wenn neue Turbinenmodelle entwickelt werden, kann diese Einrichtung in der Struktur bereitgestellt werden, wobei ein Ionisator bevorzugt ist.
Eine der möglichen Varianten ist eine Einrichtung, die nach dem Ventilatorprinzip arbeitet. Verschiedene Flügelkonfigurationen können in Erwägung gezogen werden, wobei die optimale Konfiguration die sein wird, die ausgehend von der Kontinuität eines Dampfstroms entwickelt ist, wobei dasselbe für die Turbinenschaufeln gilt.
Es wird vorgeschlagen, dass während geplanter Wartungsarbeiten die Schaufeln am letzten Turbinenkranz sämtlicher LPCs gegen Ventilatorflügel mit der erforderlichen Konfiguration ausgetauscht werden, zusammen mit dem Wechseln der entsprechenden Düsen. Die entsprechenden Teile sollten vorab hergestellt werden.
Nach einer solchen Modifizierung werden die letzten Turbinenkränze der LPCs einen Überdruck im Kondensator erzeugen, die Turbinenleistung wird unwesentlich verringert werden, der Kreisprozesswirkungsgrad wird jedoch stark erhöht werden, wie es nachstehend erörtert werden wird.
1 zeigt ein Layoutdiagramm eines modifizierten Kraftwerks mit erhöhtem Wirkungsgrad, bei dem Ventilatorflügel am letzten Kranz der Turbine verwendet werden, um den Druck im Kondensator zu erhöhen.
Ausführung der Erfindung
Um die vorgeschlagene technische Lösung umzusetzen, ist es notwendig, dass, bevor zur Arbeit gemäß dem vorgeschlagenen Kreisprozess gewechselt wird, der bestehende klassische Kreisprozess wie oben beschrieben mit dem angeschalteten Kondensator und dem irreversiblen Wärmeverlust mit Kühlwasser gestartet wird. Wenn die Turbine sich mit Betriebsgeschwindigkeit dreht und die Abdampf-Nennparameter erreicht sind (P2 von 1,7 kPa bis 4,2 kPa, Temperatur T3 von 15°C bis 30°C, und Kondensationswärme r von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg), ist es möglich, zum vorgeschlagenen Kreisprozess zu wechseln.
Nennen wir den Druck vor dem Ventilator P22 (siehe das Layoutdiagramm) und den Druck im Kondensator P2. Der in Betrieb befindliche Ventilator wird den Kondensationsprozess unwesentlich beeinflussen, da das Hauptvakuum durch das Kühlwasser erzeugt werden wird, und P2 ~ P22.
Wenn die Betriebsparameter erreicht sind, ist es notwendig, die Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers im Kondensator K langsam zu verringern, und anschließend sollte dessen Zirkulation vollständig gestoppt werden.
Der Dampfkondensationsprozess aufgrund der Kühlwasserwirkung wird gestoppt werden. Dies wird dazu führen, dass der Druck P2 im Kondensator aufgrund der Ventilatorarbeit erhöht werden wird. Wenn der Druck P2 einen Wert erreicht, der etwas über dem Sättigungsdruck bei der Betriebstemperatur liegt, wird der Dampfkondensationsprozess wieder fortgesetzt werden.
Der Kondensationsprozess wird selbstregulierend sein. Wenn die Kondensation erhöht wird, verringert sich der Druck P2; dann wird der Prozess verlangsamt, und dies wird zu einer Erhöhung des Drucks führen; dann wird der Prozess fortgesetzt.
Dies rührt von der Tatsache her, dass bei einem Druck P2 im Bereich von 1,7 kPa bis 4,2 KPa, Temperatur T3 im Bereich von 15°C bis 30°C, ein spezifisches Volumen Vs von Dampf 77,79 m³/kg bis 32,93 m³/kg beträgt und ein spezifisches Volumen von Wasser (Dampfkondensat) Vw -0,001 m³/kg beträgt. Dieser Prozess reagiert sehr empfindlich auf nicht im Gleichgewicht befindliche Bedingungen, da selbst eine kleine Abweichung der Prozessgeschwindigkeit vom Gleichgewicht zu 77.790- bis 32.930-fachen Volumenveränderungen führt.
Wärme wird im Kondensator mit Kühlwasser nicht verloren gehen (der Kühlwasserkreislauf im Kondensator wurde angehalten), daher wird die Wärme im Kreisprozess verbleiben.
Die thermodynamischen Aspekte der vorgeschlagenen Erfindung folgen aus dem mathematischen Argument, das von Lars Onsager, einem Nobelpreisträger, dem Begründer des vierten Hauptsatzes der Thermodynamik, in „Thermodynamics of Phase Transitions“ dargelegt und später experimentell bestätigt wurde, welches besagt, dass die spezifische Kondensatwärme bei einem Phasenübergang ins Unendliche geht. Dies bedeutet, dass die spezifische Kondensatwärme ausreichend sein wird, damit sich die kinetische Energie des Dampfes in intrinsische Energie umwandelt, ohne eine bedeutende Erhöhung der Temperatur.
Die Förderpumpe FP wird den Wasserdruck stark erhöhen, was zu einer Erhöhung der Wassersiedetemperatur führt.
Mit der einzigen stabilen flüssigen Phase, wird ein Wasserwärmekapazitätswert wieder empirische Werte annehmen, und die intrinsische Energie des Wassers wird wesentlich höher sein als im klassischen Kreisprozess, da keine Wärme im Kondensator verloren geht.
Der Indikator für die intrinsische Wasserenergie ist die Temperatur, die, in dem vorgeschlagenen Kreisprozess (bezeichnen wir sie als T32 (115) - siehe das Layoutdiagramm des erörterten Kreisprozesses in 1), wesentlich höher sein wird als T32 >> T1 ~ T3 am Einlass des Kessels B, was nachfolgend erörtert werden wird.
Der Kessel B wird wesentlich weniger Wärme zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser benötigen, verglichen mit dem klassischen Kreisprozess; dies ermöglicht wirklich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads des vorgeschlagenen Kreisprozesses.
Betrachten wir den vorgeschlagenen Kreisprozess in den T-S-Koordinaten.
Wie schon erwähnt, ist es zunächst notwendig, den oben beschriebenen klassischen Kreisprozess zu starten. Nach dem Wechsel zum vorgeschlagenen Kreisprozess wird der Prozess bis zu Punkt 10 strikt wiederholt werden, und wird anschließend entlang der folgenden Punkte führen:

10-11: Der Druck wird unwesentlich auf einen Wert oberhalb des Sättigungsdrucks erhöht; der Abstand zwischen den Punkten ist in dem Diagramm absichtlich vergrößert, um zu zeigen, dass dieser Prozess existiert.
11-12: Der Phasenübergang vom dampfförmigen Zustand zur flüssigen Phase findet statt; die Punkte 1 und 12 werden sich wegen der Inkompressibilität von Wasser nahezu vollständig überdecken (Punkte 1 - 2). Es wird keine Entnahme von Wärme Q6 = r im Bereich von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg stattfinden.
12-2: Die Förderpumpe FP erhöht den Wasserdruck auf Betriebswert (3,4 MPa, 8,8 MPa, 12,75 MPa, 23,5 MPa). Der Abstand zwischen den Punkten 1, 12 und 2 ist wegen der Inkompressibilität von Wasser sehr klein; die Punkte überdecken sich nahezu vollständig.
2-3: Wasser wird bis zur Siedetemperatur beim Betriebsdruck im Kessel B erwärmt. Es ist keine Zufuhr von Wärme Q1 notwendig, da die intrinsische Kondensatenergie T32 >> T1, die Berechnungen sind nachstehend angegeben; die Wassersiedetemperatur hängt vom Betriebsdruck ab.
3-44: Teilweises Verdampfen von Wasser in B, dem Bereich des gesättigten Dampfes; keine Zufuhr von Wärme Q2 an Punkt 44 ist notwendig, da die intrinsische Kondensatenergie T32 >> T1, die Berechnungen sind nachstehend angegeben.
44-4: Vollständiges Verdampfen von Wasser in B, dem Bereich des gesättigten Dampfes; der Siedeprozess. Zufuhr von Wärme Q22 << Q2, die Berechnungen sind nachstehend angegeben.
34: Im Diagramm zeigt Punkt 34 den Punkt des Übergangs von Wasser in Dampf ohne den Wassersiedeprozess für die Direct-Flow-Einheiten, die beim überkritischen Druck Pk = 22,1145 MPa arbeiten.
4-5: Trockener Dampf wird im Dampfüberhitzer OH überhitzt; Wärme Q3 wird zugeführt.
34-5: Trockener Dampf wird für die Direct-Flow-Einheiten überhitzt.
5-6: Dampf arbeitet in dem Hochdruckturbinengehäuse HPC. Der Dampfdruck und die Temperatur werden auf einen Wert höher als die Sättigungstemperatur verringert.
6-7: Trockener Dampf wird im Überhitzer OH1 überhitzt. Wärme Q4 wird zugeführt.
7-8: Dampf arbeitet in dem Mitteldruckturbinengehäuse MPC. Der Dampfdruck und die Temperatur werden auf einen Wert oberhalb der Sättigungstemperatur verringert.
8-9: Trockener Dampf wird in OH2 überhitzt. Wärme Q5 wird zugeführt.
9-10: Dampf arbeitet in den Niederdruckturbinengehäusen LPC. Der Dampfdruck und die Temperatur werden auf die Sättigungstemperatur verringert.
10-11: Der Druck wird leicht erhöht, auf einen Wert oberhalb des Sättigungsdrucks; der Abstand zwischen den Punkten ist in dem Diagramm absichtlich vergrößert, um zu zeigen, dass dieser Prozess existiert. Dann wird der Kreisprozess erneut wiederholt. Die durch die Linien 12(1) - 2 - 3 - 44 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 (1) begrenzte Fläche deckt sich nahezu vollständig mit dem klassischen Kreisprozess; daher wird die Arbeit dieselbe sein. Die durch die Linien 1 - 12 - 11 - 10 - 1 begrenzte Fläche ist proportional zur Arbeit, die für den Phasenübergang von Dampf in Wasser verrichtet werden sollte, irreversibel verloren gegangene Energie. Ein Beispiel für Berechnungen für 1 kg Dampf ist nachstehend angegeben. Arbeit, die für den Dampf-Kondensat-Phasenübergang verrichtet werden sollte:

Der Prozess verläuft bei einer konstanten Temperatur		t	15-30°C
Dampfsättigungsdruck		P	1,7 kPa - 4,2 kPa
Spezifisches Dampfvolumen		Vs	77,97 m³/kg - 32,93 m³/kg
Spezifisches Wasser(Kondensat)volumen		Vw	0,001 m³/kg - 0,001 m³/kg
Spezifische Kondensationswärme		r	2465 kJ/kg - 2430 kJ/kg
Irreversibel verlorene Arbeit		A = P * dv = P * (Vw - Vs)
	A = 1,7 kPa * (0,001 m³/kg - 77,97 m³ /kg) = 133 kJ/kg
	A = 4,2 kPa * (0,001 m³/kg - 32,93 m³/kg) = 138 kJ/kg
Im Kreisprozess verbleibende
Wärme	Qc = r - A = 2465 kJ/kg - 133 kJ/kg = 2332 kJ/kg
	Qc = r - A = 2430 kJ/kg - 138 kJ/kg = 2292 kJ/kg

Nachstehend sind zusätzlich die Berechnungen für Punkt 44 im T-S-Diagramm für einen Druck P1 = 3,4 MPa (bei höherem Druck wird die Wassersiedetemperatur höher sein) und eine Abdampftemperatur t von 30°C angegeben.

Betriebsdruck	P1 3,4 MPa
Wassersiedetemperatur bei diesem Druck	Tb 241°C
Verdampfungswärme Q2	Qv 1759 kJ/kg
Wassertemperatur am Einlass des Kessels B	T1 30°C
Mittlere Wasserwärmekapazität	Cw 4,2 kJ/(kg*K)
Wärme Q1, die notwendig ist, um 1 kg Wasser auf	Q1 = Cw * (Tb - T1)
die Siedetemperatur zu erwärmen, wird nicht zugeführt, da die im Kreisprozess verbleibende	A1 = 4,2 kJ/(kgK) (241 - 30) = 886 kJ/kg
Wärme ausreicht. T32 wird Tb entsprechen.	A1 = 4,2 kJ/(kgK) (241 - 30) = 886 kJ/kg
Wärme, die im Kreisprozess verbleibt	Qc = 2292 kJ/kg
Wärme, die zum teilweisen Verdampfen zur	Qp = Qc - Q1
Verfügung steht, entspricht Punkt 44 im T-S-Diagramm	Qp = 2292 kJ/kg - 886 kJ/kg = 1406 kJ/kg
Wärme, die für das vollständige Verdampfen von 1 kg	Q22 = Qf - Qp
Wasser im vorgeschlagenen Kreisprozess benötigt wird	Q22 = 1759 kJ/kg - 1406 kJ/kg = 353 kJ/kg
Wasser im vorgeschlagenen Kreisprozess benötigt wird	Q22 = 353 kJ/kg << Q2 = 1759 kJ/kg

Die Wärme Q3, Q4, Q5, die zum Überhitzen des Dampfes benötigt wird, wird auf dieselbe Weise wie im klassischen Kreisprozess zugeführt.

Aus den angegebenen Berechnungen ist ersichtlich, dass die Kondensationswärme r im Bereich von 2465 kJ/kg bis 2430 kJ/kg irreversibel im Kondensator gemäß dem klassischen Kreisprozess verloren geht, was etwa 45% an irreversiblen Verlusten entspricht.
In dem vorgeschlagenen Kreisprozess sind die irreversiblen Verluste A im Bereich von 133 kJ/kg bis 138 kJ/kg deutlich geringer, was etwa 2,4% bis 2,6% davon entspricht, da der Prozess bei sehr niedrigem Druck im Kondensator abläuft, praktisch in einem Vakuum, das im klassischen Kreisprozess vorgebildet wird.
Auf diese Weise erhöht der vorgeschlagene Kreisprozess den Wirkungsgrad eines Kraftwerks um 42,5%.
Der Kreisprozess widerspricht nicht dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, da Wärme zugeführt wird; er steht nicht im Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da ein Teil der Energie irreversibel verloren geht, wenn thermische Energie in mechanische Energie umwandelt wird; er widerspricht nicht dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik, da Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nicht erreicht werden; und er steht im Einklang mit dem vierten Hauptsatz der Thermodynamik.
Bevor zum neuen Kreisprozess gewechselt wird, es ist notwendig, die Wärmebilanz eines Kessels vorzuberechnen, wobei von einer erhöhten Wassertemperatur an dessen Einlass ausgegangen wird, was insbesondere für Direct-Flow-Einheiten und Kernkraftwerke wichtig ist. Auch wird der Wechsel zum neuen Kreisprozess bei einer Turbine nach der anderen vollzogen, d.h. eine nächste Turbine kann erst dann zum neuen Kreisprozess transferiert werden, wenn der Transferprozess bei der vorherigen Turbine abgeschlossen ist; und wenn die Transferfunktion, die einen Einfluss auf die Verringerung der Brennstoffzufuhr an den Kessel hat, berechnet wird, sollte eine Verzögerung beim Transport unbedingt berücksichtigt werden. Das Befolgen dieser Anforderungen wird einen produktiven und fehlerfreien Betrieb eines Kraftwerks gewährleisten.
Die praktische Umsetzung des vorgeschlagenen Kreisprozesses wird keine wesentlichen Kosten erfordern, da sämtliche notwendigen Elemente vorab gemäß der Technologie und aus Materialien, die zur Herstellung der Turbinenschaufeln verwendet werden, erzeugt werden können; die Verbindungselemente zur Turbinenwelle dieselben bleiben; die Modernisierung während planmäßiger Wartungsarbeiten erfolgen kann; sämtliche anderen Teile der Anlage und der Verbindungselemente unverändert bleiben werden. Da planmäßige Wartungsarbeiten und der Austausch von Turbinenschaufeln kontinuierlich bei allen Wärmekraftwerken weltweit durchgeführt werden, kann der Wechsel zum neuen Betriebskreisprozess bei einem Kraftwerk relativ einfach vollzogen werden.
Der vorgeschlagene Kreisprozess verringert den Brennstoffverbrauch in der Praxis um das Zweifache; folglich werden die Emissionen von Verbrennungsprodukten und das Erwärmen der Atmosphäre um just diesen Wert verringert, was sich positiv auf die Umwelt und das Klima auswirken wird. Die Menge an radioaktiven Abfällen bei einem Kernkraftwerk wird sich praktisch halbieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 0002528830 [0006, 0013]
US 6357235 [0008, 0013]

Claims

Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines Wärmekraftwerks mittels Erhöhen des Drucks von nicht gesättigtem Dampf zusammen mit dessen Überhitzen und Zufuhr an eine Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass, nach dem vollständigen Verrichten von Arbeit in allen Turbinengehäusen, der Dampf an einen Kondensator geleitet wird, wo der Druck mittels eines Ventilators auf einen Wert oberhalb des Sättigungsdrucks erhöht wird, und dann die Kühlwasserzirkulation gestoppt wird, aufgrund dessen der Dampf in die flüssige Phase umgewandelt wird und die Dampfkondensationswärme im Kreisprozess verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der bestehende Kreisprozess gestartet wurde und die Turbinengeschwindigkeit einen Betriebswert erreicht, welcher Abdampf-Nennparameter gewährleistet, eine Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers langsam bis zum vollständigen Stopp von dessen Zirkulation verringert wird, während gleichzeitig der Druck in einem Kondensator mittels eines Ventilators erhöht wird, wodurch der Effekt einer Selbstregulierung des Kondensationsprozesses erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konfiguration von Ventilatorflügeln ähnlich der der Turbinenschaufeln berechnet wird, wobei von der Kontinuität eines Dampfstroms ausgegangen wird, basierend auf Berechnungen der Wärmebilanz eines Kessels und unter gebührender Berücksichtigung einer erhöhten Wassertemperatur an dessen Einlass.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transferfunktion, die eine Abnahme der Brennstoffzufuhr an einen Kessel beeinflusst, unter gebührender Berücksichtigung einer Transportverzögerung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modernisierung in Betrieb befindlicher Wärmekraftwerke bezüglich des Austauschs von Turbinenschaufeln gegen Ventilatorflügel während geplanter Wartungsarbeiten erfolgt.
Wärmekraftwerk, umfassend eine Einrichtung zur Erhöhung des Drucks von nicht gesättigtem Dampf mit dessen anschließender Überhitzung zur Leitung an eine Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilatorflügel mit einer erforderlichen Konfiguration und Düsen am letzten Turbinenkranz anstelle von Turbinenschaufeln an der Turbinenwelle aller Niederdruckturbinengehäuse installiert sind.
Wärmekraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator, der durch seinen eigenen Elektromotor angetrieben wird, an der Einlassarmatur des Kondensators angebracht ist.
Wärmekraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator in den letzten Turbinenstufen integriert ist.
Wärmekraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der Ventilatorflügel gemäß der Technologie und aus Materialien ähnlich denen, die zur Herstellung der Turbinenschaufeln verwendet werden, hergestellt sind.