DE1576990A1

DE1576990A1 - Steam power plant working in the two-substance process

Info

Publication number: DE1576990A1
Application number: DE19671576990
Authority: DE
Inventors: Flatt Dipl-Ing Friedrich; Silberring Dipl-Masch-I Ludwig
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1966-08-15
Filing date: 1967-08-09
Publication date: 1970-07-02
Also published as: CH451209A; DE1576990B2

Description

Im Zweistoffverfahren arbeitende Dampfkraftanlage. Die Erfindung betrifft eine im Zweistoffverfehren @arbei- tend:e Dampfkraftanlage, bei welcher Wasserdampf in einem oberen Temperaturbereich und Dampf eines zweiten Stoffes in einem daran anschliessenden unteren Temperaturbereich unter Nutz- leistungsabgabe entspannt, wobei der .Dampf :des zweiten =Stoffes in einem Wärmeaustauscher durch hie Kondensationswarme von im oberen -Temperaturbereich entspanntem Wasserdampf erzeugt wird und der zweite Stoff von der Art ist., dass der erzeugte Dampf ein .kleineres Volumen :aufweist als der erwähnte .konden- sierende Wasserdampf. Dei einer bekannten Anlage dieser Art wird vom Wasser- dampf nur im oberen Temperaturbereich Nutzl:eetung-;.abge;geben. Im unteren Temperaturbereich :dient dagegen iauos.chl:i-eaelich gier Impf .de e zweiten Stoffes .als Arbeitsmittel -fair idi(e Nutz- P leIstungserz:eugung. ,Auf diese Weiae .l:äaet aiah oder 'Yortell srrliohen, das.B die Turbine des unteren :lemperaturbere.ivhee wegen des geringeren Volumens des Dampfes des zweiten Stoffes verhältnismässig klein ausgeführt werden kann, was besonders dann von Bedeutung ist, wenn es sich um eine Anlage sehr grosser Leistung handelt, bei welcher die Auslegung der letzten Stufen einer reinen Wasserdampfturbine wegen des grossen Dampfvolumens am Ende der Entspannung konstruktive Schwierigkeiten ergeben würde. Ein bekannter Vorschlag geht dahin, bei solchen im Zweistoffverfahren arbeitenden Dampfkraftanlagen als zweiten Stoff einen der in Kälteprozessen üblicherweise verwendeten Stoffe, wie z.B. Ammoniak, zu verwenden. In the binary process working steam power plant. The invention relates to a two-substance process @ work tend: e steam power plant, in which water vapor in an upper Temperature range and vapor of a second substance in one subsequent lower temperature range under useful power output relaxed, where the. vapor: of the second = substance in a heat exchanger by the heat of condensation of Generates relaxed steam in the upper temperature range is, and the second material of the type. that the generated Steam has a smaller volume than the aforementioned condensation sizing water vapor. In a known system of this type, the water Steam only in the upper temperature range. In the lower temperature range: on the other hand, iauos.chl: i-eaelich serves greed vaccination of the second substance as a means of work -fair idi (e use- P. Achievement ore: eugung. 'In this way .l: äaet aiah or' Yortell srrliohen, das.B the turbine of the lower: l Temperaturbere.ivhee can be made relatively small because of the lower volume of the steam of the second substance, which is particularly important when it comes to a very high performance plant in which the design of the last stages of a pure water steam turbine because of the large steam volume at the end of the Relaxation would result in constructive difficulties. One known proposal is to use one of the substances commonly used in refrigeration processes, such as ammonia, as the second substance in such steam power plants operating in the two-substance process.

Anlagen dieser Art haben aber den Nachteil, dass für die Uebertragung der Kondensationswärme des Wasserdampfes an den zu verdampfenden zweiten Stoff ein Wärmeaustauscher vorgesehen werden muss, der beträchtliche Abmessungen aufweisen kann und je nach der Wahl des zweiten Stoffes unter Umständen auch hohe Drücke aushalten muse. Das Temperaturgefälle vom kondeneierenden Wasserdampf zum verdampfenden zweiten Stoff bringt überdies einen thermodynamischen Verlust, der auch bei einem wärmeaustauscher mit verhältnismässig grosser Wärmeübertragungsfläche nicht ganz vermieden werden kann.Systems of this type have the disadvantage that a heat exchanger must be provided for the transfer of the heat of condensation of the water vapor to the second substance to be evaporated, which can have considerable dimensions and, depending on the choice of the second substance, may also have to withstand high pressures. The temperature gradient from the condensing water vapor to the evaporating second substance also brings about a thermodynamic loss which can not be completely avoided even in the case of a heat exchanger with a relatively large heat transfer surface.

Bei einer im Zweistoffverfahren arbeitenden Dampfkraftanlage der eingangs beschriebenen Art ist nun gemäee der Er- findung eine: Turbine vorgesehen, in welcher ein Teil den im oberen Temperaturbereich entspannten Waonerdaapfee in ainde- stens einem Teil des unteren-Temperaturbereiches unter Nutzleistungsabgabe weiter entspannt, bevor er in einem Kondensator niedergeschlagen wird. Turbine provided in which a part of further relaxes the relaxed in the upper temperature range Waonerdaapfee in ainde- least a part of the lower-temperature range below useful power output, before in: In one working in the two-component process steam power plant of the initially described type of ER- a is now gemäee invention a capacitor is deposited .

Bei einer solchen Dampfkraftanlage wird somit nicht die ganze, Nutzleistung erzeugende Wasserdampfmenge im Wärmeaustauscher niedergeschlagen, um den zweiten Stoff zu verdampfen. Der W-ärmeaustauscher kann daher kleinere Abmessungen erhalten als bei den bekannten, im Zweistoffverfahren arbeitenden Dampfkraftanlagen. Trotzdem können aber die bei den reinen Wasserdampfanlagen grosser Leistung auftretenden konstruktiven Schwierigkeiten mit Bezug auf die Bewältigung der grossen Dampfvolumina in den letzten Entspannungsstufen der Turbine vermieden werden, da nur ein Teil des Wasserdampfes bei der Nutzleistungsabgabe im unteren Temperaturbereich entspannt.In such a steam power plant , the entire amount of water vapor generating useful power is therefore not deposited in the heat exchanger in order to evaporate the second substance. The heat exchanger can therefore have smaller dimensions than in the known steam power plants operating in the two-substance process. In spite of this, however, the constructional difficulties that arise in the case of pure water steam systems with high output with regard to coping with the large steam volumes in the last expansion stages of the turbine can be avoided, since only part of the water vapor expands in the lower temperature range during the useful power output.

In der Zeichnung ist eine Dampfkraftanlage gemäss der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt.In the drawing, a steam power plant according to the invention is for example shown schematically.

Der Wasserdampf wird in einem Atomkernreaktor 1 bei Volllast der Anlagebei einem Druck von beispielsweise 70 ata erzeugt, in einem Ueberhitzer 2 beispielsweise auf 400°C überhitzt und durch eine Leitung 3 einer Turbine 4 zugeführt.The water vapor is generated in an atomic nuclear reactor 1 at full load of the plant at a pressure of, for example, 70 ata, superheated in a superheater 2 to 400 ° C., for example, and fed through a line 3 to a turbine 4.

In der Turbine 4 entspannt der Wasserdampf unter Arbeiteleiatung bis auf einen Druck, der z.B. etwa 1 att beträgt. Ein Teil des die Turbine 4 verlassenden Wasserdampfes gelangt .über eine heltung 5 in einen Wärmeaustauscher 6, in welchem er bei einer Temperatur von etwa 100°C kondensiert. Das Kondensat wird über eine Leitung 7 nach Vorwärmung wieder dem Reaktor 1 als Speisewasser zugeleitet. Die Ueberhitzungswärme erhält der Wasserdampf durch ein in einem Kreislaufsystem 8 durch ein Gebläse 9 umgewälztes gasförmiges Mittel, welches seinerseits Wärme aus dem Reaktor 1 aufnimmt. In der Leitung 7 sind ferner eine Kondensatpumpe 10, ein Kondensatvorwärmer 11, ein Speisewasserbehälter 12, eine Speisepumpe 13 und zwei mit über Leitungen 14', 15' der.Turbine 4 entnommenem Dampf beheizte Speisewasservorwärmer 14 bzw. 15 eingeschaltet.In the turbine 4, the water vapor expands with work flow down to a pressure which is, for example, approximately 1 att. Part of the water vapor leaving the turbine 4 passes via a heat exchanger 5 into a heat exchanger 6, in which it condenses at a temperature of about 100.degree. The condensate is fed back to the reactor 1 as feed water via a line 7 after it has been preheated. The water vapor receives the overheating heat from a gaseous medium which is circulated in a circulation system 8 by a fan 9, which in turn absorbs heat from the reactor 1. In line 7, a condensate pump 10, a condensate preheater 11, a feed water tank 12, a feed pump 13 and two feed water preheaters 14 and 15, respectively, heated with steam removed via lines 14 ', 15' of the turbine 4, are switched on.

Der dem Wärmeeustauscher 6 zuströmende Teil des Wasserdampfes dient nur im oberen Temperaturbereich, der nach unten durch die Temperatur im Wärmeaustauscher 6 begrenzt ist, als Arbeitsmittel. In dem darunter liegenden Temperaturbereich ist dagegen ein Kreislauf mit z.B. Trichlormonofluormethan oder Dichlormonofluormethan (unter den Handelsnamen Freon 11 bzw. 1freon 21 bekannt) als Arbeitsmittel vorgesehen. Dieser zweite Stoff erhält im Wärmeaustauseher 6 die Kondensationswärme den Wasserdampfes, wobei er verdampft. Der so entstandene Dampf wird über eine Leitung 16 einer Turbine 17 zugeleitet, ent-spannt in dieser unter Arbeitsleistung bis auf eine Temperatur von beispielsweise etwa 300C oder auch darunter und konden- siert schliesslich in einem z.B. mit Luft gekühlten Kondensator 18. Das Kondensat des zweiten Stoffes wird sodann über eine Leitung 19 mit eingebauter Pumpe 20 wieder dem Wärmeaustauscher 6 zugeleitet. Die Leistung der Turbinen 4 und 17 wird an einen elektrischen Stromerzeuger 21 abgegeben.The part of the water vapor flowing into the heat exchanger 6 serves as a working medium only in the upper temperature range, which is limited at the bottom by the temperature in the heat exchanger 6. In the temperature range below, on the other hand, a circuit with, for example, trichloromonofluoromethane or dichloromonofluoromethane (known under the trade names Freon 11 or 1freon 21) as the working medium is provided. This second substance receives the heat of condensation of the water vapor in the heat exchanger 6, whereby it evaporates. The steam produced in this way is fed via a line 16 to a turbine 17, where it expands while performing work to a temperature of, for example, about 30 ° C. or below, and finally condenses in a condenser 18 cooled with air, for example. The condensate of the second The substance is then fed back to the heat exchanger 6 via a line 19 with a built-in pump 20. The power of the turbines 4 and 17 is output to an electric power generator 21.

Ausser zur Arbeitsleistung in der Turbine 17 wird der Dampf des zweiten Stoffes auch noch als Arbeitsmittel für eine das Umwälzgebläse 9 antreibende Turbine 22 sowie für eine das Kühlluftgebläse des Kondensators 18 antreibende Turbine 23 verwendet. Mit 24 ist ein besonderer Kondensator für den Abdampf der Turbine 22 bzeichnet.In addition to the work in the turbine 17, the steam of the second Substance also as a working medium for a turbine driving the circulating fan 9 22 and for a turbine 23 driving the cooling air fan of the condenser 18 used. At 24 there is a special condenser for the exhaust steam from the turbine 22 marks.

Ferner verzweigt sich eine Entnahmeleitung 25 der Turbine 4 in zwei Aeste 26 und 27, wobei der Ast 26 einen Teil des Entnahmedampfes einer die Speisepumpe 13 antreibenden Turbine 28 als Arbeitsmittel zuleitet. Der Abdampf dieser Turbine 28 kondensiert in einem besonderen Kondensator 29 und das Kondensat gelangt schliesslich in die Leitung 7. Entnahmedampf der Turbine 28 wird über Leitungen 30, 31 dem Speisewasservorwermer 11 bzw. einem Vorwärmer 32 für den flüssigen zwei- ten Stoff als Heizdampf zugeleitet.Furthermore, an extraction line 25 of the turbine 4 branches into two branches 26 and 27, the branch 26 supplying part of the extraction steam to a turbine 28 driving the feed pump 13 as a working medium. The exhaust steam of the turbine 28 is condensed in a separate condenser 29 and the condensate flows finally into the line 7. extraction steam turbine 28 is connected via lines 30, 31 the Speisewasservorwermer 11 and a preheater 32 for liquid two-th material fed as heating steam.

Der andere Ast 27 der Leitung 25 führt den anderen Teil des der Turbine 4 entnommenen Wasserdampfes zu einem Wärmeaustauscher 33, in welchem er Wärme an den vom Wbrmeaustauscher 6 kommenden Dampf des zweiten Stoffes zu dessen Ueberhitzung vor der Beaufschlagungder Turbine 17 abgibt.The other branch 27 of the line 25 leads the other part of the steam extracted from the turbine 4 to a heat exchanger 33, in which it gives off heat to the steam of the second substance coming from the heat exchanger 6 to overheat it before the turbine 17 is applied.

Der nicht dem Wärmeauetauecher 6 zugeleitete Teil des von der Turbine 4 abströmenden Wasserdampfes gelangt über eine Leitung 33 in eine ebenfalls den elektrischen Stromerzeuger 21 antreibende, vierflutige Niederdruckturbine 34, in welcher er im unteren Temperaturbereich unter Nutzleistungsabgebe entspannt. Der Abdampf der Turbine 34 wird in Kondensatoren 35 niedergeschlagen und das Kondensat wird mit Hilfe von Pumpen 36 über eine Leitung 37 in die Leitung 7 gefördert, in welcher es sich mit dem Kondensat des im Wärmeaustauscher 6 niedergeschlagenen Wasserdampfes vereinigt. Mit 38 ist ferner ein Vorwärmer für das durch die Leitung 37 strömende Kondensat bezeichnet, welcher durch der Leitung 33 entnommenen und Tiber eine Zeitung 39 zugeführten Dampf beheizt wird. In der Leitung 5 oder in der Leitung 33, oder in beiden, kann ein Ventil eingebaut sein, welches dazu dient, bei einer Lastabschaltung eine Entspannung vom im Warmeaustauscher*6 gespeichertem Wasserdampf durch die Niederdruckturbine 34 zu verhindern. The part of the water vapor flowing out of the turbine 4 that is not fed to the heat exchanger 6 passes via a line 33 into a four-flow low-pressure turbine 34 which also drives the electric power generator 21, in which it expands in the lower temperature range with useful power output. The exhaust steam from the turbine 34 is precipitated in condensers 35 and the condensate is conveyed with the aid of pumps 36 via a line 37 into the line 7, in which it combines with the condensate of the water vapor precipitated in the heat exchanger 6. A preheater for the condensate flowing through the line 37 is also denoted by 38, which steam removed through the line 33 and fed through a newspaper 39 is heated . In the line 5 or in the line 33, or in both, a valve can be installed which serves to prevent the low-pressure turbine 34 from releasing the water vapor stored in the heat exchanger * 6 in the event of a load shutdown.

Die der Turbine 34 zugeleitete Wasserdsmpfmenge kann unter Umständen den grösseren Teil, z.B. j der die Turbine 4 verlassenden Wasserdampfmenge ausmachen. Bei Anlagen mit sehr grosser Leistung kann es dagegen vorteilhaft sein, nur ddn kleineren Teil. z. B. j der die Turbine 4 verlassenden Waseerdampfmenge der Turbine 34 zuzuleiten und so der vom zweiten Stoff durchströmten Turbine 17 eine grössere Leistung zuzu- weisen. Hei der beschriebenen Anlage sind die Kondensatoren 35 mit Wasser gekühlt, der Kondensator 18 für den zweiten Stoff dagegen mit Luft. Es ergibt sich so der Vorteil, dass sehr tiefe Lufttemperaturen (unter 0o0) ausgenützt werden können, wenn der Gefrierpunkt des zweiten Stoffes tief genug liegt.The amount of water vapor fed to the turbine 34 may, under certain circumstances, make up the greater part, for example j, of the amount of water vapor leaving the turbine 4. In the case of systems with a very high output, on the other hand, it can be advantageous to only use the smaller part. z. The turbine 4 leaving Waseerdampfmenge forwarded to the turbine 34, and 17 have attributable greater power as the second material traversed by the turbine as j. In the system described, the condensers 35 are cooled with water, whereas the condenser 18 for the second substance is cooled with air. This has the advantage that very low air temperatures (below 0o0) can be used if the freezing point of the second substance is low enough.

Der untere Temperaturbereich, in welchem der zweite Stoff unter Arbeitsleistung in der Turbine 17 entspannt, ist dann grösser als der Temperaturbereich, in welchem der Wasserdampf in der Turbine 34 unter Nutzleistungsabgabe entspannt.The lower temperature range in which the second substance relaxes with work in the turbine 17 is then greater than the temperature range in which the water vapor in the turbine 34 relaxes with the output of useful power.

Claims

P aten claims 1., Steam power plant working in the two-tier process, in which water vapor in an upper temperature range and steam of a second substance in an adjoining lower temperature range with a useful power output, the vapor of the second substance in a heat exchanger through the heat of condensation from the upper temperature range Relaxed water vapor is generated and the second substance is of the type that the steam generated has a smaller volume than the aforementioned condensing water vapor, characterized by a turbine (34), in which part of the water vapor expanded in the upper temperature range in at least part of the Lower temperature range further relaxed with useful power output before it is deposited in a condenser (35) .

2. Steam power plant according to claim 1, characterized in that for the precipitation of the water vapor, which is relaxed in the lower temperature range water-cooled condenser (35) and for the condensation of the relaxed steam of the second substance, an air-cooled condenser (18) is provided.

3. Steam power plant according to claim 1, characterized in that the for the relaxation of the water vapor in the lower. Temperature range determined turbine (34) is designed for the absorption of at least 4, but at most j of the relaxed water vapor length in the upper temperature range at full load.