DE1401469B2 - Dampfkraftanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit zwei thermisch miteinander verbundenen Kreisläufen mit gleichem Arbeitsmittel, von denen der erste Kreislauf bei niedrigerer Mitteltemperatur verläuft als der zweite Kreislauf, wobei das Arbeitsmittel in jedem Kreislauf auf erhöhten Druck gebracht, erhitzt, unter Arbeitsleistung entspannt und hernach gekühlt wird, wobei ferner sich das Arbeitsmittel im zweiten Kreislauf im wesentlichen ausschließlich im Dampfzustand befindet, während im ersten Kreislauf das Arbeitsmittel verdampft und die dazu benötigte Verdampfungswärme dem ersten Kreislauf durch Wärmeabgabe aus dem zweiten Kreislauf zugeführt wird, und wobei der erste Kreislauf zusätzlich mindestens einen beheizten Überhitzer und/oder Zwischenüberhitzer enthält.

Eine derartige Dampfkraftanlage ist aus der deutschen Auslegcschrift 1 038 064 bekannt. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, den Anlagcnwirkungsgrad durch die Überlagerung zweier Kreisläufe zu verbessern. Die technische Lehre dieser Druckschrift besteht darin, den höchsten Druck des zweiten Kreislaufes niedriger als den höchsten Druck des ersten Kreislaufcs und den niedrigsten Druck des zweiten Kreislaufes höher als den niedrigsten Druck des ersten Kreislaufes zu wühlen, und ferner durch Wärmeabgabe aus dem zweiten Kreislauf Arbeitsmittel in dem ersten Kreislauf zu verdampfen. Bei der dafür notwendigen Anlage werden für die Wärmeübergabe vom zweiten auf den ersten Kreislauf Wärmetauscher benötigt, die erhebliche Druckdifferenzen zwischen Primär- und Sekundärseite aufweisen.

Demgegenüber liegt bei der Erfindung die Aufgabe vor, neben einer Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades auch noch eine Vereinfachung der Wärmetauscher zu erreichen. Diese Aufgabe wird bei einer Dampfkraftanlage der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Wärmeabgabe an den ersten Kreislauf in bekannter Weise von einer Stelle des zweiten Kreislaufes aus erfolgt, an der der Arbeitsmitteldruck im wesentlichen gleich dem Verdampfungsdruck des Arbeitsmittels im ersten Kreislauf ist. Diese Maßnahme bedingt, daß der höchste Druck im zweiten Kreislauf über denjenigen im ersten Kreislauf angehoben wird, was der Lehre der erwähnten deutschen Auslegeschrift 1038 064 völlig widerspricht.

Es ist zwar durch die deutsche Auslegeschrift 1 034 190 bereits ein Wärmetauscher mit primär- und sekundärseitig gleichem Druck bei einer Anlage mit zwei Kreisläufen bekannt, jedoch ist bei dieser Anlage nicht die technische Lehre gegeben, daß der Wärmetauscher zur Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades in der beschriebenen Weise eingesetzt wird. Der eigentliche Zweck dieses Wärmetauschers ist es vielmehr, die Abscheidung von Verunreinigungen aus den Kreisläufen zu ermöglichen.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Wärmeabgabe aus dem zweiten Kreislauf dadurch erfolgt, daß das in ihm zirkulierende Arbeitsmittel nach seiner Entspannung mit dem Arbeitsmittel des ersten Kreislaufes gemischt und das Gemisch verdichtet, überhitzt und entspannt wird, ehe die Gesamtmenge des Arbeitsmittels wieder auf beide Kreisläufe verzweigt wird. Durch diese Maßnahme können die Wärmetauscher für den Wärmeübergang von dem zweiten auf den ersten Kreislauf gänzlich entfallen. Weiterhin ergeben sich besonders gute Wirkungsgrade für die Anlage, wenn der zweite Kreislauf mindestens teilweise in überkritischem Zustandsbereich verläuft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Dampfkraftanlage, bei der eine Mischung der Arbeitsmittelteilströme beider Kreisläufe erfolgt,

F i g. 2 das TS-Diagramm für die Anlage für die F i g. 1 und

Fig. 3 ein TS-Diagramm für eine Anlage, bei der der Wärmeübergang vom zweiten auf den ersten Kreislauf über Oberflächenwärmetauscher erfolgt.

Der Dampferzeuger 1 (Fig. 1) der Anlage wird durch einen Unterwindventilator 2 mit Brennluft beschickt, die in einem ersten Luftvorwärmer 3 und in einem zweiten Luftvorwärmer 4 auf hohe Temperatur gebracht und hernach über den Brenner 5 in den Verbrennungsraum eingeführt wird. Ein großer Teil der dort erzeugten Wärme wird im Überhitzer 6 an die — an der Stelle 15 durch Mischung beider Kreisläufe vereinigte — Gesamtmenge des Arbeitsmittels übertragen, die einen Teil des zweiten Kreislaufes als Ganzes durchströmt, wobei sie vor der Überhitzung in einem Verdichter 13 auf Druck, vorzugsweise auf

überkritischen Druck, gebracht wird. Außer in einem kleinen Bereich nach der Mischstelle befindet sich das im zweiten Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel ausschließlich im Dampfzustand.

In den Figuren sind der zweite, auf höherer Mitteltemperatur liegende Kreislauf durch Darstellung in dünnen Doppellinien und der erste, auf niedrigerer Mitteltemperatur liegende Kreislauf durch Darstellung als eine dicke Linie voneinander unterschieden. Die Mischung des Arbeitsmittels ist in den F i g. 1 und 2 durch schwarz/weiß gestrichelte Darstellung für den Gesamtstrom des Arbeitsmittels in einem Teil des zweiten Kreislaufes symbolisiert.

Nach der Überhitzung im Überhitzer 6 verteilt sich der Gesamtstrom als Dampf auf die Hauptturbine 7 und die parallel dazu liegende Hilfsturbine 8 des zweiten Kreislaufes, sammelt sich nach der Entspannung wieder und strömt über die Leitung 9 zu der Stelle 14, an der die Entmischung und Aufteilung auf die getrennten Teilströme der einzelnen Kreisläufe stattfindet. Der Dampf des zweiten Kreislaufes strömt dann in einen Wärmetauscher 11, in dem er nochmal einen Teil seiner Wärme an den ersten Kreislauf abgibt, ehe er erneut der Mischstelle 15 zufließt.

Eine Speisewasserpumpe 21 fördert das Arbeitsmittel des ersten Kreislaufes aus dem Speisewassergefäß 20 durch den anzapfdampfbeheizten Vorwärmer 22 in den Rauchgasvorwärmer 23 und über den ebenfalls anzapfdampfbeheizten Vorwärmer 24 zur Mischstelle 15, von der aus es, wie beschrieben, als Teil der Gesamtmenge durch einen Teil des zweiten Kreislaufes zur Stelle 14 fließt. Nach der dortigen Entmischung gelangt der Teilstrom des ersten Kreislaufes in den rauchgasbeheizten Überhitzer 25, aus dem der ausströmende Frischdampf zu der Hochdruckturbine 26, aus dieser zum Wärmetauscher 11 und aus dem rauchgasbeheizten Zwischenüberhitzer 27 in die Mittel- und Niederdruckturbine 28 strömt. Der Kreislauf des Arbeitsmittels im ersten Kreislauf schließt sich über den Kondensator 29, die Kondensatpumpe 30 und den Kondensatvorwärmer 31 zum Speisewassergefäß 20.

Im Diagramm der Fig. 2 stellen sich die beiden Kreisläufe wie folgt dar: Ausgehend von der Mischstelle 15, die in Fig. 2 durch den Punkte dargestellt ist, wird der Druck der Gesamtmenge im zweiten Kreislauf mit Hilfe des Verdichters 13 längs der Linie AB auf einen überkritischen Wert erhöht. Längs der Isobaren BC wird dem Arbeitsmittel Wärme aus dem Kessel (Überhitzer 6) zugeführt, ehe es infolge der Entspannung in der Turbine 7 bzw. 8 den Abschnitt CD durchläuft.

Das Arbeitsmittel des ersten Kreislaufes durchläuft zunächst im Zustandsdiagramm die Linien EF, wobei es einer Druckerhöhung und einer Vorwärmung (Pumpen 30 und 21 sowie Vorwärmer 31, 22, 23 und 24) unterworfen ist. Vom Zustand F aus gelangt es in den Zustand A dadurch, daß an der Stelle 15 beide Teilströme, wie erwähnt, gemischt werden, um gemeinsam die Zustände B, C und D zu durchlaufen.

Der Zustand D entspricht der Stelle 14 der Fig. 1; dort erfolgt, wie erwähnt, die Aufteilung der Gesamtmenge auf die beiden Kreisläufe, wobei die dem zweiten Kreislauf zugehörige Teilmenge (m — e) — die Gesamtmenge des in der Zeiteinheit fließenden Arbeitsmittelstromes auf dem Wege von A über B und C nach D sei mit m bezeichnet, während durch den ersten Kreislauf auf dem Weg D, J, K usw. nach F der Mengenstrom e strömt — von D nach H gelangt, ehe sie zur erneuten Mischung wieder der Stelle A zugeführt wird, während die im ersten Kreislauf verbleibende Menge e zur erneuten Überhitzung in den Kessel fließt.

Mit Hilfe des Überhitzers 25 wird dann der Teilstrom des ersten Kreislaufes bis zum Zustand J erhitzt, von dem aus er dann, in der Hochdruckturbine 26 entspannt, zum Punkt K gelangt. Durch einen erneuten Wärmeübergang vom zweiten Kreislauf her, dessen Teilmenge (m — e) diese Wärme im erwähnten Zustandsbereich DH über den Wärmetauscher 11 abgibt, erreicht der Teilstrom im ersten Kreislauf den Zustand L. Die für die Zwischenerhitzung von L nach M notwendige Wärme wird dem ersten Kreislauf wieder durch Verbrennungsprodukte im Zwischenüberhitzer 27 direkt zugeführt.

Das Arbeitsmittel expandiert dann in der Mitteldruckturbine (ein Teil der Turbine 28) von N nach M und weiter in der Niederdruckturbine (Endteil der Turbine 28) zum Punkt O. Die Verminderung der Entropie von O und E findet im Kondensator 29 statt. Die im Bereich zwischen M und O liegenden Turbinen 28 sind mehrfach angezapft, um den Anzapfdampf für die Vorwärmung (Strecke EF in F i g. 2) des Arbeitsmittels zu liefern.

Da die vom zweiten Kreislauf zwischen D und A abgegebene Wärme mindestens gleich der vom ersten Kreislauf zwischen F und H sowie zwischen K und L aufgenommene Wärmemenge sein muß, ist der Mengenstrom, d. h. die pro Zeiteinheit umgewälzte Arbeitsmittelmenge, im zweiten Kreislauf größer als derjenige des ersten Kreislaufes.

Der Mischvorgang ist in F i g. 2 durch Pfeile symbolisiert; weiterhin ist in dieser Figur die beim Wärmeübergang von DH nach KL übergehende Wärmemenge schraffiert dargestellt und ebenfalls mit einem Pfeil angezeigt. Zum besseren Verständnis des Zusammenhanges zwischen F i g. 1 und 2 sind, in Klammern gesetzt, die mit Zahlen bezeichneten Elemente der F i g. 1 an die entsprechenden Zweige des Diagramms der F i g. 2 zusätzlich angeschrieben worden.

Dem Diagramm der F i g. 3 liegt eine Anlage zugrunde, bei der die Wärmeabgabe des zweiten Kreislaufes an den ersten in mindestens einem Oberflächenwärmetauscher stattfindet. Erfindungsgemäß ist dieser Oberflächenwärmetauscher im zweiten Kreislauf in Strömungsrichtung nach der Entspannung CD angeordnet, so daß der Druck in diesem Kreislauf gerade dem Verdampfungsdruck des ersten Kreislaufes entspricht. Für die Konstruktion des Wärmetauschers resultiert daraus eine wesentliche Vereinfachung, da beiderseits seiner Wärmeübergangsflächen Arbeitsmittelströme mindestens etwa gleichen Druckes fließen.

In Fig. 3, die mit Fig. 2 sehr weitgehend übereinstimmt und daher die gleichen Bezugszeichen (A bis O) aufweist, sind die beiden Kreisläufen gemeinsamen Zustände A, H und D durch eine schwache, den zweiten Kreislauf symbolisierende und durch eine starke Linie miteinander verbunden, die die Zugehörigkeit dieser Zustände zum ersten Kreislauf verdeutlichen soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dampfkraftanlage mit zwei thermisch miteinander verbundenen Kreisläufen mit gleichem Arbeitsmittel, von denen der erste Kreislauf bei niedrigerer Mitteltemperatur verläuft als der zweite Kreislauf, wobei das Arbeitsmittel in jedem Kreislauf auf erhöhten Druck gebracht, erhitzt, unter Arbeitsleistung entspannt und hernach gekühlt wird, ferner sich das Arbeitsmittel im zweiten Kreislauf im wesentlichen ausschließlich im Dampfzustand befindet, während im ersten Kreislauf das Arbeitsmittel verdampft und die dazu benötigte Verdampfungswärme dem ersten Kreislauf durch Wärmeabgabe aus dem zweiten Kreislauf zugeführt wird, und wobei der erste Kreislauf zusätzlich mindestens einen rauchgasbeheizten Überhitzer und/oder Zwischenüberhitzer enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabe an den ersten Kreislauf in bekannter Weise von einer Stelle des zweiten Kreislaufes aus erfolgt, an der der Arbeitsmitteldruck im wesentlichen gleich dem Verdampfungsdruck des Arbeitsmittels im ersten Kreislauf ist.

2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabe aus dem zweiten Kreislauf dadurch erfolgt, daß das in ihm zirkulierende Arbeitsmittel nach seiner Entspannung mit dem Arbeitsmittel des ersten Kreislaufes gemischt und das Gemisch verdichtet, überhitzt und entspannt wird, ehe die Gesamtmenge des Arbeitsmittels wieder auf beide Kreisläufe verzweigt wird.

3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kreislauf mindestens teilweise im überkritischen Zustandsbercich verläuft.