DE1501349A1

DE1501349A1 - Process for the condensation of turbine exhaust steam

Info

Publication number: DE1501349A1
Application number: DE19651501349
Authority: DE
Inventors: Everling Dipl-Ing Bernhard; Huchzermeyer Dipl-Ing Berthold; Spangemacher Dr-Ing Kurt
Original assignee: Balcke AG
Current assignee: Balcke AG
Priority date: 1965-04-27
Filing date: 1965-04-27
Publication date: 1969-05-14
Also published as: BE679915A; AT263057B; GB1088215A

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

DPLiNG.E.E.FINB^NBR Firma Maschinenbau-AktiengesellschaftDPLiNG.E.E.FINB ^ NBR Company Maschinenbau-Aktiengesellschaft

ßipl.-ing. W. ERNLSTIßipl.-ing. W. ERNLSTI

' Heinrich-König-Straße 12 B a 1 C k θ , 'Heinrich-König-Strasse 12 B a 1 C k θ,

Fernsprecher: 41550, 42327Telephone: 41550, 42327

65 152
BEF/HS65 152
BEF / HS

I Dr. ExpLI Dr. ExpL

Verfahren zur Kondensation von TurbinenabdampfProcess for the condensation of turbine exhaust steam

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kondensation von Turbinenabdampf mittels einer Luftkondenaationsanlage. The invention relates to a method for the condensation of turbine exhaust steam by means of an air condensation system.

Es ist bekannt, die Kondensation des in Kraftwerken anfallenden Wasserdampfes in Luftkondensatoren vorzunehmen, wenn der für Kühltürme erforderliche Bedarf an Zusatzwasser in einer Menge von ca. 2 i» des Umlauf wassers nicht zur Verfügung steht, was bei der zunehmenden Verknappung von Wasser immer häufiger der Fall sein kann. Dabei wird der Abdampf der Turbine in Rippenrohren kondensiert und die Kondensationswärme an die die .Rohre umströmende Kühlluft abgegeben, oder aber der Dampf in größeren Säumen kondensiert, in de- { neu mit Innenripp.en versehene Rohre angeordnet sind, durch die die Kühlluft strömt.It is known to carry out the condensation of the resulting in power plants water vapor in air condensers, when the required cooling tower need for additional water in an amount of about 2 i "of the circulating water is not available, whatever common in the increasing scarcity of water, the Case may be. The exhaust steam from the turbine is condensed in finned tubes and the condensation heat is given off to the cooling air flowing around the tubes, or the steam condenses in larger seams in which tubes are newly provided with inner ribs and through which the cooling air flows.

Derartige Luftkondensationsanlagen eignen sich nur für Kraftwerke mit kleineren oder mittleren Leistungen, da bei Blockeinheiten mit großen Leistungen die Abdampfleitungen von der Turbine zur Luftkondensationsanlage so groß werden, daß sie räumlich nicht mehr unterzubringen sind. Die obere wirtschaftliche Grenze zur Anwendung des obigen Luftkondensationsverfahrens liegt bei Kraftwerken mit Turbine nie istungen von 50 bis 100 MW, so daß für große moderne Einheiten die direkte Luftkondensation zur Zeit ausscheidet. Such air condensation systems are only suitable for Power plants with small or medium capacities, since the exhaust lines in block units with high capacities from the turbine to the air condensing system so big that they can no longer be accommodated spatially. The upper economic limit for applying the above Air condensation method is used in power plants with a turbine Never power from 50 to 100 MW, so that for large modern Units that are currently eliminating direct air condensation.

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Es hat sich ferner gezeigt, daß die Luftkondensationsanlagen, die für kleinere und mittlere Kraftwerke häufig gebaut wurden, "bei Frostwetter zum Einfrieren neigen. Bs ist eine Reihe von Vorschlägen bekannt geworden, die das Ziel haben, die Einfriergefahr zu beseitigen, ohne daß es gelungen ist, das Problem in befriedigender Weise zu lösen, da in allen Fällen das abfließende Kondensat mit der kalten Luft in Wärmeaustausch steht.It has also been shown that the air condensation systems, which were often built for small and medium-sized power plants "tend to freeze in frosty weather. Bs A number of proposals have become known which aim to eliminate the risk of freezing without it has succeeded in solving the problem in a satisfactory manner, since in all cases the draining condensate with the cold Air is in heat exchange.

Es gehört auch ein Verfahren zum Stande der Technik, bei dem der Wasserdampf in einem unter der Turbine angeordnetem Mischkondensator kondensiert wird j dabei wird Kühlwasser, das von gleicher Qualität ist wie das Kesselspei sewasser, in einem geschlossenen Kreislauf geführt und in einem Luftkühler rückgekühlt. Bei diesem Verfahren läßt sich bei starker Laständerung oder Umstellen des Kraftwerkes im Winter die Jäinfriergefahr nur beheben, wenn das Wasser aus dem Luftkühler sehr schnell abgelassen wird.. Das Verfahren hat ferner den Nachteil, daß das Kühlwasser unter Aufwand von mechanischer Energie ständig umgepumpt werden muß und daß es sich im Mischkondensator auf Kosten der dem Luftkühler zur Verfügung stehenden Temperaturdifferenz erwärmt.There is also a prior art method in which the water vapor is stored in an under the turbine Mixing condenser is condensed j it is cooling water that is of the same quality as the boiler feed sewwater, guided in a closed circuit and recooled in an air cooler. With this procedure leaves in the event of a significant load change or relocation of the power plant Only eliminate the risk of freezing in winter if that Water from the air cooler is drained very quickly .. The method also has the disadvantage that the cooling water must constantly be pumped around with expenditure of mechanical energy and that it is in the mixing condenser at the expense the temperature difference available to the air cooler warmed up.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Luftkondensationsanlagen, insbesondere die Einfriergefahr, weitgehend zu vermeiden und ihre Verwendung auch bei Kraftwerken mit großen Leistungen zu ermöglichen. The invention is based on the object of addressing the disadvantages of the known air condensation systems, in particular the Avoid the risk of freezing as far as possible and enable their use also in power plants with high capacities.

Bei einem Verfahren zur Kondensation von Turbinenabdampf mittels einer Luftkondensationsanlage besteht die ürfin-In a process for the condensation of turbine exhaust steam by means of an air condensation system, there is

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dung darin, daß der Abdampf in eine oder mehrere Umformer geleitet und darin durch indirekte Kühlung mittels eines Fluids kondensiert wird, das eine möglichst große Verdampf ungs war me und einen niedrigen Schmelzpunkt, sowie bei den üblichen Kondensationstemperaturen des Turbinenabdampfes einen günstigen Überdruck hat, wobei das Fluid durch den im Umformer kondensierenden Dampf verdampft und einem Luftkondensator zugeführt wird, in dem es kondensiert und von wo das Fluid, dessen Druck im Umformer und im Kon- I densator annähernd gleich ist, im Kreislauf wieder in den Umformer geleitet wird. Als Fluid, das die erwähnten Eigenschaften aufweist, dient erfindungsgemäß ^Ammoniak. Unter einem günstigen Überdruck ist ein Druck zu verstehen, der einerseits so groß ist, daß das Volumen möglichst klein ist, andererseits aber nicht so hoch sein darf, daß die Yfandstärken der Rohrleitungen, Flanschen und Umformer und dergleichen zu groß werden. Die Höhe des Überdruckes, die von der Art des verwendeten Fluids abhängt, läßt sich vom Fachmann je nach den Betriebsbedingungen auswählen. Für Ammoniak ergibt sich beispielsweise ein Überdruck von 5 bis 25 Atmosphären.tion in the fact that the exhaust steam is passed into one or more converters and therein by indirect cooling by means of a Fluid is condensed, which war me the greatest possible evaporation and a low melting point, as well has a favorable overpressure at the usual condensation temperatures of the turbine exhaust steam, with the fluid evaporated by the steam condensing in the converter and is fed to an air condenser in which it condenses and from where the fluid, whose pressure in the converter and in the condenser is approximately the same, is returned to the circuit in the Converter is directed. According to the invention, ammonia is used as the fluid which has the properties mentioned. Under A favorable overpressure is to be understood as a pressure which, on the one hand, is so great that the volume is as small as possible is, on the other hand, must not be so high that the thicknesses of the pipes, flanges and converters and like that get too big. The level of the overpressure, which depends on the type of fluid used, can be determined by the Select a specialist depending on the operating conditions. For example, ammonia has an overpressure of 5 to 25 atmospheres.

Die ürfindung sieht ferner vor, daß das Fluid nach Verlassen des Luftkondensators in einen Kondensatsammler abfließt und von dort dem Umformer entweder mit natürlichem Gefälle oder mittels einer Pumpe zugeführt wird.The ürfindung also provides that the fluid after leaving of the air condenser flows into a condensate collector and from there is fed to the converter either with a natural gradient or by means of a pump.

Bei dem Verfahren gemäß vorliegender .Erfindung wird die Kondensation also in zwei Stufen vorgenommen und als Zwischenmedium zwischen dem zu kondensierenden Dampf und derIn the method according to the present invention, the Condensation so carried out in two stages and as an intermediate medium between the vapor to be condensed and the

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atmosphärischen Luft ein Fluid verwendet, dessen Sättigungedampfdruck bei der üblichen Kondensationstemperatür des Turbinenabdampfes so hoch liegt, daß der Dampf des Fluids ein verhältnismäßig geringes Volumen einnimmt j auf diese Weise können di« Dampfleitungen klein ausgeführt werden und es treten große Druokverluste nicht ein. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß große Volumina an Turbinenabdampf mit verhältnismäßig kleinen Fluid-Dampfmengen kondensiert werden können und keine Einfriergefahr besteht.atmospheric air uses a fluid whose saturation vapor pressure at the usual condensation temperature des Turbinenabdampfes is so high that the steam of the fluid occupies a relatively small volume j on this In this way, the steam lines can be made small and large pressure losses do not occur. An essential one Advantage of the method according to the invention is that large volumes of turbine exhaust steam with relatively small amounts of fluid vapor can be condensed and there is no risk of freezing.

Die Verwendung von Fluiden obiger Art bei Kälteanlagen und Wärmepumpen ist an sich bekannt. Bei den bekannten Anlagen wird der Druck des Fluids in der Art verändert, daß der Dampf verdichtet wird, während die Flüssigkeit in einer Drossel oder einer Turbine entspannt wird. Auf diese Weise gelingt es, die minderwertige Energie aufzuwerten und sie auf ein höheres Niveau zu bringen. Biespielsweise bringt man in Kälteanlagen die Wärme auf eine so hohe- Temperatur, daß sie an die Umgebung übertragen werden kann. Bei Wärmepumpen benutzt man die Aufwertung dazu, minderwertige Energie nutzbar zu machen. Verfahren dieser Art sind bei Kraftwerksprozessen deswegen unwirtschaftlich, weil zur Aufwertung durch die Wärmepumpen stets mehr Energie verbraucht wird als bei der Ausnutzung durch die Turbine anfallen kann.The use of fluids of the above type in refrigeration systems and heat pumps is known per se. With the known systems the pressure of the fluid is changed in such a way that the vapor is compressed while the liquid is in a Throttle or a turbine is relaxed. In this way it is possible to upgrade the inferior energy and it to bring it to a higher level. For example, in refrigeration systems, the heat is brought to such a high temperature, that it can be transmitted to the environment. In the case of heat pumps, upgrading is used to generate inferior energy to make usable. Procedures of this type are used in power plant processes therefore uneconomical, because the heat pumps always use more energy to upgrade than can occur when the turbine is used.

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ist bei der vorliegenden Erfindung der Druck des Fluids, abgesehen von geringfügigen Strömungsverlusten, an allen Stellen gleich, d. h. sowohl die Kondensation als auch die Verdampfung finden bei annähernd gleichem Druck statt. Dieser Druck wirdIn contrast to the known methods, in the present invention the pressure of the fluid is apart from minor flow losses, the same at all points, d. H. find both condensation and evaporation takes place at approximately the same pressure. This pressure will

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sich zwar mit dem Turbinenvakuum und der Belastung zeitlich ändern, Jedoch niemals örtlich erheblich differieren. Der Strömungsverlust wird in vielen Fällen durch den Dichteunterschied von Dampf und Flüssigkeit überwunden, in anderen Fällen wird die Flüssigkeit durch eine Pumpe mit minimalem Energieverbrauch gefördert werden.Although they change over time with the turbine vacuum and the load, they never differ significantly in terms of location. The flow loss is overcome in many cases by the difference in density between vapor and liquid, in other cases the liquid will be conveyed by a pump with minimal energy consumption.

Das Fluid bildet bei dem Verfahren nach der Erfindung einen geschlossenen Kreislauf, wobei sich der Druck in die- { sem Kreislauf automatisch als Sättigungsdampddruck derjenigen Temperatur einstellen wird, die sich als Gleichgewicht aus der übertragenen Wärmemenge, der Wärmeübertragungsfläche von Umformer und luftkondensator und der Luft- , temperatur ergibt. Steigt beispielsweise.die Wärmeabgabe des Umformers oder die Lufttemperatur um so viel an, daß sich die Gleichgewichtstemperatur von 25 G auf 30° C erhöht, so wird aus dem Vorrat an Fluidkondensat soviel verdampfen, daß der Druck des Fluids entsprechend ansteigt. Umgekehrt wird bei einem Lastrückgang der Turbine der Dampfdruck des Fluids erniedrigt und Fluiddampf kondensiert. Die Erfindung sieht daher ferner vor, daß der Vorrat an Fluidkondensat ao groß ist, daß die Schwankungen , * im System und die damit verbundenen Änderungen der Masse ' an dampfförmigen Fluid im Rahmen der größten zu erwartenden Temperaturspanne ausgeglichen werden können.In the method according to the invention, the fluid forms a closed circuit, the pressure in this circuit being automatically set as the saturation vapor pressure of the temperature that is the equilibrium of the amount of heat transferred, the heat transfer surface of the converter and air condenser and the air , temperature results. If, for example, the heat output of the converter or the air temperature increases so much that the equilibrium temperature increases from 25 G to 30 ° C, so much will evaporate from the supply of fluid condensate that the pressure of the fluid increases accordingly. Conversely, when the load on the turbine drops, the vapor pressure of the fluid is lowered and fluid vapor is condensed. The invention therefore also stipulates that the supply of fluid condensate ao is large that the variations in the system * and the associated changes in the mass of vaporous fluid within the framework can be compensated for the expected temperature range, 'the largest.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens, die aus einem Umformer zur Kondensation des Turbinenabdampfes, einem Luftkondensator zur Kühlung des im Kreislauf geführten Fluids und gegebenenfalls einem Sammler für das Fluidkondensat besteht. DieThe invention also relates to a system for carrying out the method, which consists of a converter for condensation of the turbine exhaust steam, an air condenser for There is cooling of the circulated fluid and possibly a collector for the fluid condensate. the

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Zufuhr des Fluids in den Umformer wird erfindungsgemäß durch ein in der Zuführungsleitung angeordnetes Regelorgan geregelt, das vom Flüssigkeitsstand des Fluids im Umformer gesteuert wird.Feeding the fluid into the converter is according to the invention regulated by a control element arranged in the supply line, which depends on the liquid level of the fluid in the Converter is controlled.

Die Erfindung sieht ferner vor, den Querschnitt des Umformers, bzw. der Umformer so groß zu wählen, daß Schwankungen des Flüssigkeitsstandes in solchen Grenzen gehalten werden können, daß sie sich auf den Umlauf im Umformer nicht auswirken.The invention also provides for the cross-section of the converter or the converter to be selected so large that fluctuations the liquid level can be kept within such limits that it affects the circulation in the converter not affect.

Auf der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des "Verfahrens schematisch dargestellt. Unter Bezugnahme auf das Schema wird die Erfindung im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.The drawing shows a system for carrying out the "method shown schematically. With reference to the scheme, the invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained.

Aus der Turbine 1 tritt der Abdampf durch die Leitung 2 in den Umformer 3, der den üblichen wassergekühlten Kondensator ersetzt. Der Abdampf steht unter einem Druck von 0,075 ata, entsprechend einer Temperatur von 40° 0. Durch die Leitung 4 wird dem Umformer 3 flüssiges Ammoniak mit einem Druck von 13,8 ata entsprechend einer Temperatur von 35° C zugeführt. Das Ammoniak verdampft in dem Umformer und strömt mit gleichem Druck und gleicher Temperatur als Dampf durch die Leitung 5 über den Verteiler 6 in den Luftkondensator 7· In diesem wird es wieder kondensiert und gibt dabei seine Verdampfungswärme an die atmosphärische Luft ab. Der Luftkondensator kann beispielsweise aus einer Reihe von Rippenrohren bestehen, in denen die Kondensation des Ammo-From the turbine 1 the exhaust steam passes through the line 2 into the converter 3, which is the usual water-cooled condenser replaced. The exhaust steam is under a pressure of 0.075 ata, corresponding to a temperature of 40 ° 0 the line 4 is the converter 3 with liquid ammonia a pressure of 13.8 ata corresponding to a temperature of 35 ° C. The ammonia evaporates in the converter and flows at the same pressure and temperature as steam through the line 5 via the distributor 6 into the air condenser 7 · In this it is condensed again and gives off its heat of evaporation to the atmospheric air. The air condenser can, for example, consist of a series of finned tubes in which the condensation of the ammo

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niaks etattfindet, während die Luft in Querrichtung die Eippenrohre umströmt. Man kann auch, wie ee an sich bekannt ist, den Ammoniakdampf durch Kondensationsräume leiten, in denen Rohre angeordnet sind, durch die die Kühlluft strömt. Bas Ammoniakkondensat wird in dem Sammler 8 gesammelt und fließt über die Leitung 4 in geschlossenem Kreislauf wieder in den Umformer. Zweckmäßigerweise wird der Sammler so hoch angeordnet, daß das Kondensat dem Um- '■ " former mit natürlichem Gefälle zufließt. In diesem Fall wird die Zufuhr des Amjnoniakkondensatee in dem Umformer durch ein Regelorgan 9 geregelt, das in der Leitung 4 sitzt und vom Flüssigkeitsstand im Umformer gesteuert wird. Liegt | der Sammler 8 aus baulichen Gründen tiefer als der Umformer, so wird das Kondensat durch eine in der Leitung 4 angeordnete Pumpe in den Umformer gefördert, deren Fördermenge ebenfalls vom Flüssigkeitsstand im Umformer in an sich bekannter Weise gesteuert werden kann. Weitere Regelungen sind zur Durchführung des Verfahrens im allgemeinen nicht erforderlich. niaks takes place while the air flows transversely around the finned tubes. As is known per se, it is also possible to pass the ammonia vapor through condensation spaces in which pipes are arranged through which the cooling air flows. The ammonia condensate is collected in the collector 8 and flows back into the converter via the line 4 in a closed circuit. Conveniently, the collector is arranged so high that the condensate flows to the environmental '■ "former with a natural slope. In this case, the supply of the Amjnoniakkondensatee in the converter is controlled by a control member 9, which is seated in the line 4 and the liquid level in If the collector 8 is lower than the converter for structural reasons, the condensate is pumped into the converter by a pump arranged in the line 4, the flow rate of which can also be controlled by the liquid level in the converter in a manner known per se. In general, no further regulations are required to carry out the procedure.

Wählt man den Querschnitt des Umformers so groß, daß die Schwankungen des Flüssigkeitsstandes im Umformer im Rahmen des möglichen Bereiches der Druckschwankungen sich auf den Umlauf im Umformer nicht auswirken, kann man sogar auf den Regler 9 und auf den Sammler 8 ganz verzichten, da die Funktion des Sammlers von dem Umformer mit übernommen wird. ·If the cross-section of the converter is chosen so large that the fluctuations in the liquid level in the converter are within the limits of the possible range of pressure fluctuations do not affect the circulation in the converter, one can even use the The controller 9 and the collector 8 are completely dispensed with, as the function of the collector is also taken over by the converter. ·

Die Überlegenheit des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren ergibt sich aus derThe superiority of the method according to the present invention over the known methods results from the

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I OU II OU I

folgenden Gegenüberstellung! Bei einem Kraftwerk mit einer Turbinenleiβtung von 300 MW fallen beispielsweise pro Stunde 660 to Wasserdampf mit einem Volumen von 20 nr pro kg,
d. h. 13 600 000 nr pro Stunde an. Die hierbei frei werdende Wärme kann von 1 450 to Ammoniak pro Stunde, dessen
Dampf bei einem Druck von 13»8 ata entsprechend einer Temperatur von 35° 0, einem Volumen von 0,11 m pro kg, das
sind 162 000 nr pro Stunde, entspricht, transportiert werden. Das Fördervolumen, das die Abmessungen der Rohrleitungen bestimmt, nimmt also im Verhältnis 1 t 83 ab.following comparison! In a power plant with a turbine output of 300 MW, for example, 660 tons of water vapor with a volume of 20 nr per kg fall per hour,
ie 13 600 000 nr per hour. The heat released here can be from 1 450 to ammonia per hour, its
Steam at a pressure of 13 »8 ata corresponding to a temperature of 35 ° 0, a volume of 0.11 m per kg, the
are 162,000 nr per hour, equivalent to being transported. The delivery volume, which determines the dimensions of the pipelines, therefore decreases in the ratio of 1 t 83.

PatentansprücheClaims

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Claims

- 9 claims

1. A method for condensing turbine exhaust steam by means of an air condensation system, characterized in that the exhaust steam is passed into one or more converters and is condensed therein by indirect cooling by means of a fluid that has the greatest possible heat of vaporization and a low melting point, as well as at the usual condensation temperatures Turbinenabdampfes has a favorable overpressure, whereby the fluid evaporates by the water vapor condensing in the converter \ and is fed to an air condenser, in which it condenses and from where the fluid, whose pressure in the converter and in the condenser is approximately the same, is again as condensate in the circuit is fed into the converter.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fluid after leaving the air condenser in a condensate collector flows off and from there fed to the converter either with a natural gradient or by means of a pump

3 » Method according to claims 1 and 2, characterized in that the supply of fluid condensate is so large that the pressure fluctuations in the system and the associated changes in the mass of vaporous fluid are compensated for.

4. The method according to claims 1 to 2, characterized in that that ammonia is used as i? luid.

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EAD ORIGINAL

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5. Plant for performing the method according to claims 1 to 4 »characterized in that it consists of a converter (3) for the condensation of the turbine exhaust steam, an air condenser (7) for cooling the circulated Fluids and optionally a collector (8) for the fluid condensate consists.

6. Plant according to claim 5, characterized ^ by a from Liquid level of the fluid in the converter (3) controlled sealing element (9) in the line (4) through which the fluid is dem Converter (3) is supplied.

7. Plant according to claim 5, characterized in that d r Cross-section of the converter is chosen so large that disturbances of the circulation in the converter due to fluctuations in the liquid level can be avoided within the scope of the possible pressure fluctuations.

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