DE19510006A1

DE19510006A1 - Hybrid powerstation steam-raiser unit

Info

Publication number: DE19510006A1
Application number: DE19510006A
Authority: DE
Inventors: Armin Marko
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1996-09-26

Abstract

The solar preheater (1) lies downstream of the air preheater. Solar preheating units are also installed in both the air and fossil fuel feedlines which are joined upstream of the steam-raiser entry. Thus it is also possible to install a solar preheater in the joined section of the two lines. The solar preheater downstream from the air preheater further heats the combustion air, possibly supplemented by solar preheaters (2,3) in fossil fuel, eg. coal-dust, oil, peat, biomass, etc. and air feedlines. Solar preheating variants include collector tower with receiver and heliostat, trough- or dish-type collectors, a tower having an open receiver or again planar collectors. The amount of fuel infed depends on the degree of preheat produced for the incoming combustion air, so that air raised to maximum combustion heat of 1100 deg.C eliminates the need for fossil fuel altogether.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid-Energie kraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen mit einem Dampferzeuger, der eine Ab luftleitung, eine Zuluftleitung und eine Zuleitung für den fossilen Brennstoff sowie eine Luftvorwärmereinheit aufweist, in der die Zuluftleitung und die Ab luftleitung thermisch aneinander gekoppelt sind. The invention relates to a device for Steam generation, especially for hybrid energy power plants for the use of fossil and solar Energy sources with a steam generator that has an Ab air line, a supply air line and a supply line for the fossil fuel and an air preheater unit has, in which the supply air duct and the Ab air line are thermally coupled to each other.

In Gebieten hoher Sonneneinstrahlung kann ein rein solarthermisch betriebenes Kraftwerk mit einem zu friedenstellenden Verhältnis zwischen Speicherkapazität der durch die Sonne gewonnenen Energie und der von der Sonne zur Verfügung gestellten Energie, das sogenannte Solarvielfache, die Vollaststunden eines Mittellast kraftwerkes erreichen. Die bisher realisierten reinen Solarkraftwerke mit thermischem Speicher haben allerdings die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllt und den Status von Prototypen nicht über schritten. Insbesondere in Gebieten verminderter Son neneinstrahlung ist der Einsatz reiner Solarkraftwerke nicht sinnvoll.In areas of high solar radiation, a can be pure solar thermal power plant with one too satisfactory relationship between storage capacity the energy gained from the sun and that from Sun provided energy, the so-called Solar multiples, the full load hours of a medium load reach the power plant. The so far realized Have solar power plants with thermal storage however, the expectations placed in them are not fulfilled and does not have the status of prototypes steps. Especially in areas of diminished sun radiation is the use of pure solar power plants not useful.

Im Wege der gegenwärtigen Bestrebungen, die fossilen Energiequellen möglichst zu schonen und den in ihnen vorhandenen Energiewert möglichst effektiv zu nutzen, und gleichzeitig die bisher gewonnenen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Solartechnik zu nutzen, verfolgt man das Konzept der sogenannten solaren Hybrid-Kraftwerke. Diese verwenden sowohl fossile Energie als auch solare Strahlung und können damit eine höhere Verfügbarkeit bei gutem Wirkungsgrad garantieren ohne mit teuren Energiespeichern arbeiten zu müssen.By way of current efforts, the fossil To conserve energy sources as much as possible and in them use existing energy value as effectively as possible, and at the same time the knowledge gained so far to use the field of solar technology, one pursues that Concept of the so-called solar hybrid power plants. These use both fossil energy and solar Radiation and therefore higher availability guarantee with good efficiency without with expensive Energy storage to work.

Ein solares Hybrid-Kraftwerk soll die "kostenlos" anfallende Solarstrahlung möglichst immer optimal nutzen. Gleichzeitig soll es den Leistungsanforderungen des Netzes gerecht werden, was durch eine abgestimmte fossile Energiezufuhr geregelt werden kann. Die Exergie, d. h. der in wirtschaftlich verwertbare Form umwandelbare Teil der zugeführten Energie, des Brennstoffes soll dabei ebenfalls optimal ausgenutzt werden. So sollen bei der Wandlung der Energieströme möglichst viele Anlagenteile gemeinsam genutzt werden, um die spezifischen Stromentstehungskosten niedrig zu halten.A solar hybrid power plant is said to be "free" resulting solar radiation is always optimal use. At the same time, it should meet the performance requirements of the network do justice to what is coordinated by a fossil energy supply can be regulated. The Exergy, d. H. the economically usable form convertible part of the energy supplied, the Fuel should also be used optimally will. So should be when converting the energy flows as many parts of the system as possible are shared, to keep the specific electricity generation costs low hold.

Ein Kraftwerk mit einem thermischen Kreislauf ist unter diesen Anforderungen am besten geeignet. Handelt es sich um einen offenen Kreislauf, kann die solare Wärme dem fossilen Brennstoff vor der Verbrennung zugeführt werden. Bei einem geschlossenen thermischen Kreislauf besteht neben dieser Option vor allem die Möglichkeit, dem Kreislauf die solare Wärme direkt zuzuführen.A power plant with a thermal cycle is under best suited to these requirements. Act it is an open cycle, the solar heat fed to the fossil fuel before combustion will. With a closed thermal circuit in addition to this option, there is above all the possibility supply the solar heat directly to the circuit.

Unter den existierenden thermischen Kreisläufen steht insbesondere der Dampfkraftkreislauf im Vordergrund, da er aufgrund hundertjähriger Optimierungen, seinem exergetischen Maximum sehr nahe ist. Dies ist umso wichtiger, da die Verwendung solarer Technologien mit einem relativ hohem Materialaufwand verbunden ist und erst dann sinnvoll wird, wenn die Möglichkeiten der rationellen Energienutzung und Energieeinsparung weit gehend ausgeschöpft sind.It stands under the existing thermal circuits especially the steam power cycle in the foreground, because due to hundred years of optimization, his exergetic maximum is very close. This is all the more more important because using solar technologies is connected to a relatively high cost of materials and only makes sense if the possibilities of rational use of energy and energy saving far are exhausted.

Zur Verdeutlichung der Energie- und Exergieflüsse eines beispielhaften Kohlekraftwerkes ist in Fig. 1 ein Exergie-Anergie-Flußbild eines typischen Dampfkraftwerkes dargestellt. Der Gesamtenergiebetrag, der vom Brennstoff bereitgestellt wird, wird nur zu einem gewissen Bruchteil in wirtschaftlich verwertbare Nutzarbeit (Exergie, die in der Fig. 1 als dunkel hinterlegte Fläche hervorgeht) ungewandelt. Der rest liche Energieanteil (die sogenannte Anergie) geht dabei verloren und ist in Fig. 1 als hell unterlegte Fläche dargestellt. So treten im Dampferzeugerbereich folgende irreversible Umwandlungen von Exergie in Anergie auf:To clarify the energy and exergy flows of an exemplary coal-fired power plant, an exergy-anergy flow diagram of a typical steam power plant is shown in FIG. 1. Only a certain fraction of the total amount of energy provided by the fuel is converted into economically usable useful work (exergy, which is shown in FIG. 1 as a dark background). The rest of the energy portion (the so-called anergy) is lost and is shown in Fig. 1 as a light-colored area. The following irreversible conversions from exergy to anergy occur in the steam generator sector:

A) The combustion of the fuel cannot all of the energy will be converted into exergy, so that a significant proportion is lost.
B) The exhaust gas formation includes unusable Amounts of energy that ver the technical power process go lore.
C) The warming of the working medium and thus associated heat transfer is also irreversible Losses that ent ent the technical work process be drawn.

Der unmittelbar an den Dampferzeuger gekoppelte Dampf kraftkreislauf enthält ebenso irreversible Verlust mechanismen, die sich wie folgt darstellen:The steam directly coupled to the steam generator The power cycle also contains irreversible loss Mechanisms that are as follows:

D) Operation and preheating of the turbine.
E) Capacitor operation
F) Feed pump operation

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Energieflußdiagramm geht hervor, daß der Großteil der in einem thermischen Kraftwerk auftretenden Exergieverluste bei der Ver brennung entstehen. Der Betrieb einiger bekannter Hybridkraftwerke trägt z. B. durch die solare Vorwärmung von Speisewasser dazu bei, diesen Exergieverlust zu verringern.From the energy flow diagram shown in Fig. 1 it can be seen that the majority of the exergy losses occurring in a thermal power plant arise during combustion. The operation of some known hybrid power plants contributes e.g. B. by the solar preheating of feed water to reduce this exergy loss.

Ebenso geht aus der Darstellung gemäß 1 hervor, daß in Dampfkraftwerken der größte Exergieverlust neben der Verbrennung bei der Wärmeübertragung entsteht. Da solare Wärme üblicherweise bei anderen Temperaturen anfällt als fossile Wärme, kann man die solare Wärmezufuhr so in das thermische Kraftwerk integrieren, daß fossile Exergieverluste vermieden werden. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß durch die solare Wärmezufuhr die thermodynamische Mitteltemperatur der fossilen Wärmezuführung an den Dampfkreislauf weiter angehoben wird.1 also shows that in Steam power plants the largest exergy loss besides the Combustion occurs during heat transfer. There solar heat usually at other temperatures accumulates as fossil heat, you can use the solar Integrate heat supply into the thermal power plant that fossil exergy losses are avoided. This can e.g. B. can be achieved by the solar Heat supply the thermodynamic mean temperature of the fossil heat supply to the steam cycle is raised.

Dies kann auf verschiedene Weise realisiert werden: So kann zum einen das Speisewasser, das über eine Vielzahl von thermodynamischen Zwischenstufen dem Dampferzeuger zugeführt wird, durch solare Wärme, die von einem Kollektorfeld gewonnen wird, über einen Wärmeüberträger im Bereich zwischen 60 bis 250°C vorgewärmt werden. Ebenso ist die solare Wärmezufuhr an das noch flüssige Arbeitsmedium unmittelbar vor der Verdampferstufe möglich, vor der das Arbeitsmedium eine Temperatur zwischen 250 und 350°C besitzt.This can be done in different ways: can be the feed water, which has a variety of thermodynamic intermediate stages to the steam generator is supplied by solar heat from one Collector field is obtained via a heat exchanger preheated in the range between 60 to 250 ° C. Likewise, the solar heat supply to the still liquid Working medium immediately before the evaporator stage possible, in front of which the working medium is a temperature between 250 and 350 ° C.

Alternativ zur Vorwärmung bzw. Erwärmung des flüssigen Arbeitsmediums kann die für die Verbrennung nötige Luftmenge solar vorgewärmt werden. Die Vorwärmung der für die Verbrennung notwendigen Luftmenge wird üblicherweise schon bei fossil gefeuerten Kraftwerken angewendet, in dem die im Verbrennungsgas nach dem Austritt aus dem Dampferzeuger verbleibende Wärme über einen regenerativen Wärmetauscher der frischen Ver brennungsluft zugeführt wird. Dabei ist zu beachten, daß das entstehende Rauchgas den Säuretaupunkt nicht unterschreiten darf, da sonst die im Abgas enthaltene Schwefelsäure an Schornstein und Kessel zu Korrision und Materialschäden führen würde. Andererseits sollte die zugeführte Verbrennungsluft genügend kühl sein um eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Ver brennungsluft und damit einen guten Wärmeübergang zwischen den beiden Gasen zu gewährleisten.As an alternative to preheating or heating the liquid Working medium can be the necessary for combustion Air volume to be preheated solar. Preheating the amount of air necessary for combustion usually already in fossil-fired power plants applied in which the in the combustion gas after the Leaving heat from the steam generator over a regenerative heat exchanger of fresh ver combustion air is supplied. It should be noted, that the resulting flue gas does not have the acid dew point may fall below, otherwise the contained in the exhaust gas Sulfuric acid on chimney and boiler for corrosion and Material damage. On the other hand, the Combustion air supplied should be sufficiently cool to high temperature difference between flue gas and ver combustion air and thus good heat transfer between the two gases.

Bei den bisher bekannten Möglichkeiten der solaren Verbrennungsluftvorwärmung hat man der Verbrennungs luft die solare Wärme vor dem regenerativen Wärme tauscher, durch den die frische Verbrennungsluft durch die heißen Verbrennungsgase erwärmt wird, zugeführt. Als nachteilhaft hat sich bei dieser Maßnahme herausge stellt, daß der Wärmeübergang im Luftvorwärmer negativ beeinflußt wird, insbesondere dann, wenn die solare Wärme bei hoher Temperatur zugeführt wird.With the previously known possibilities of solar Combustion air preheating is one of combustion air the solar heat before the regenerative heat exchanger through which the fresh combustion air passes the hot combustion gases is heated, supplied. This measure has proven to be disadvantageous represents that the heat transfer in the air preheater is negative is affected, especially if the solar Heat is supplied at high temperature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zur Dampferzeugung, insbesondere für Hybrid- Energiekraftwerke zur Nutzung fossiler und solarer Energiequellen, mit einem Dampferzeuger, der eine Abluftleitung, eine Zuluftleitung und eine Zuleitung für den fossilen Brennstoff sowie eine Luftvorwärmer einheit aufweist, in der die Zuluftleitung und die Abluftleitung thermisch aneinandergekoppelt sind, derart weiterzubilden, so daß die Erwärmung der für den Verbrennungsvorgang notwendigen Luftstrom keine nachtei ligen Einflüsse auf den Wärmeübergang im Luftvorwärmer besitzt.The invention has for its object a Direction for steam generation, especially for hybrid Power plants for the use of fossil and solar Energy sources, with a steam generator, the one Exhaust air line, a supply air line and a supply line for the fossil fuel and an air preheater unit in which the supply air duct and the Exhaust air duct are thermally coupled, to develop in such a way that the heating of the for Combustion process necessary air flow no disadvantage influences on the heat transfer in the air preheater owns.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Ansprüchen 2ff zu entnehmen.The solution to the problem is specified in claim 1. Advantageous embodiments are claims 2ff refer to.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Dampferzeugung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterge bildet, daß vor Eintritt der Zuluftleitung sowie der Zuleitung für den fossilen Brennstoff in den Dampfer zeuger und nach der Luftvorwärmereinheit wenigstens eine solare Vorwärmungseinheit vorgesehen ist, an der die in den jeweiligen Zuleitungen enthaltenen Medien erwärmbar sind.According to the invention is a device for generating steam weiterge according to the preamble of claim 1 forms that before the inlet air duct and the Supply line for the fossil fuel in the steamer and after the air preheater unit at least a solar preheating unit is provided on the the media contained in the respective supply lines are heatable.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß die frische Verbrennungsluft ungestört in die Luftvorwärmereinheit einfließt und dort mit dem heilen Verbrennungsgas thermisch in Kontakt tritt, und durch dieses vorgewärmt wird. Erst nach Austritt der Luftvorwärmereinheit sind erfindungsgemäß in der Verbrennungsluftzuluftleitung Wärmeübertragungsvorrichtungen vorgesehen, an denen die solare Wärme bei hoher Temperatur der bereits vorge wärmten Verbrennungsluft zugeführt werden kann.The invention is based on the idea that the fresh Combustion air undisturbed into the air preheater unit flows in and there with the healing combustion gas thermal contact, and preheated by this becomes. Only after the air preheater unit has exited according to the invention in the combustion air supply air line Heat transfer devices are provided on which the solar heat at high temperature the already pre heated combustion air can be supplied.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Temperatur unterschied zwischen der frischen Verbrennungsluft und dem heilen Rauchgas vor der Luftvorwärmeeinheit ver hältnismäßig groß ist, wodurch eine deutliche Erwärmung der Verbrennungsluft durch das heile Rauchgas stattfinden kann.In this way it is achieved that the temperature difference between the fresh combustion air and the healing flue gas in front of the air preheating unit is relatively large, causing significant warming the combustion air through the healthy flue gas can take place.

Alternativ sieht die Erfindung vor, daß im Brennstoff kreislauf, beispielsweise in der Zuleitung für den Kohlestaub ebenso oder alternativ solare Wärmekopplungs elemente vorgesehen sind. Ferner können derartige Wärmekoppelelemente auch in der Zuleitung integriert sein, durch die die Verbrennungsluft gemeinsam mit dem Brennstoff in die Verdampfereinheit selbst einmünden.Alternatively, the invention provides that in the fuel circuit, for example in the supply line for the Coal dust as well or alternatively solar heat coupling elements are provided. Furthermore, such Heat coupling elements also integrated in the supply line through which the combustion air together with the Open the fuel into the evaporator unit itself.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarische beschrieben. Es zeigenThe invention is based on an embodiment example with reference to the drawing described as an example. Show it

Fig. 1 Exergie-Anergie-Flußbild eines konventionellen Dampfkraftwerkes und Fig. 1 exergy-anergy flow diagram of a conventional steam power plant and

Fig. 2 schematische Darstellung verschiedener Mög lichkeiten der solaren Verbrennungskompo nentenvorwärmung, dargestellt am Dampferzeuger eines konventionellen Kraftwerkes. Fig. 2 shows a schematic representation of various possibilities of preheating the solar combustion components, shown on the steam generator of a conventional power plant.

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Exergie-Anergie- Flußbild ist wie bereits vorstehend beschrieben zu entnehmen, daß die bei der Verbrennung auftretenden größten Verluste bei der Verbrennung selbst sowie bei der Wärmeübertragung an das Arbeitsmedium entstehen. Der mit dieser Erfindung verfolgte Gedanke soll ent scheidend zur Minderung dieser Verluste beitragen.As already described above, it can be seen from the exergy-anergy flow diagram shown in FIG. 1 that the greatest losses which occur during the combustion occur during the combustion itself and during the heat transfer to the working medium. The idea pursued with this invention is intended to make a decisive contribution to reducing these losses.

In Fig. 2 ist ein typischer Dampferzeuger dargestellt, der aus einer Verdampfereinheit, einem Überhitzer, einem Zwischenüberhitzer sowie einem sogenannten Economizer besteht, der das Speisewasser nach der letzten Hochdruck-Vorwärmstufe vom Verbrennungsgas bis zur Verdampfungstemperatur weiter erwärmt. Das im Verbrennungsprozeß entstehende Rauchgas wird dabei aus dem Dampferzeuger abgeleitet und einem Luftvorwärmer (Luvo) zugeleitet. In dem Luftvorwärmer, dem frische Verbrennungsluft zugeführt wird, findet ein Wärmeübergang zwischen dem heilen Rauchgas und der frischen Verbrennungsluft statt, so daß die Ver brennungsluft entscheidend vorgewärmt wird.In FIG. 2, a typical steam generator is shown, which consists of an evaporator unit, a superheater, a reheater and a so-called economizer, which further heats the feed water after the last high pressure preheater from combustion gas to the vaporization temperature. The flue gas generated in the combustion process is derived from the steam generator and fed to an air preheater (Luvo). In the air preheater, the fresh combustion air is supplied, there is a heat transfer between the healthy flue gas and the fresh combustion air, so that the combustion air is preheated decisively.

Erfindungsgemäß befindet sich nach dem Luftvorwärmer in der Verbrennungsluftzuleitung eine solare Vorwärmerein heit 1, die die bereits vorgewärmte Verbrennungsluft weiter erwärmt. Alternativ oder additiv dazu befindet sich ebenso eine solare Vorwärmereinheit 2 in der Zulei tung des fossilen Brennstoffes, so daß beispielsweise zugeführter Kohlestaub auf eine entsprechende Tempera tur vorgewärmt wird, bevor der Kohlestaub die Verdam pfereinheit erreicht. Ferner kann eine weitere solare Vorwärmungseinheit 3 in der gemeinsamen Zuleitung von Verbrennungsluft und Kohlestaub vor Eintritt in den Verdampfer vorgesehen sein.According to the invention is after the air preheater in the combustion air supply line a solar Vorwärmerein unit 1 , which further heats the already preheated combustion air. Alternatively or in addition, there is also a solar preheater unit 2 in the feed line of the fossil fuel, so that, for example, coal dust supplied is preheated to a corresponding temperature before the coal dust reaches the evaporator unit. Furthermore, a further solar preheating unit 3 can be provided in the common feed line of combustion air and coal dust before entering the evaporator.

In der Fig. 2 sind alle 3 Möglichkeiten schematisch dargestellt, die additiv oder alternativ angeordnet sein können.In FIG. 2, all 3 options are shown schematically, which may be arranged alternatively or additively.

Anstatt Kohlestaub als fossilen Brennstoff zu ver wenden, sind auch andere fossile Brennstoffe wie bei spielsweise Erdgas, Öl, Torf, Biomasse verwendbar.Instead of using coal dust as a fossil fuel other fossil fuels as with for example natural gas, oil, peat, biomass can be used.

In Abhängigkeit der solaren Wärmezufuhr kann die fossile Energiezufuhr heruntergefahren werden. Im Idealfall kann die zuströmende Verbrennungsluft über die maximale Verbrennungstemperatur von ca. 1100°C erwärmt werden, so daß die fossile Brennstoffzufuhr völlig ersetzt werden kann. Zur solarthermischen Wandlung können überdies Kollektortechnologien herange zogen werden, die mindestens eine Temperatur von 100°C erreichen. Typische Kollektortechnologien seien im folgenden reihenhaft aufgezählt:Depending on the solar heat supply, the fossil energy supply to be shut down. in the Ideally, the incoming combustion air can the maximum combustion temperature of approx. 1100 ° C be heated so that the fossil fuel supply can be completely replaced. For solar thermal Change can also use collector technologies be drawn at least a temperature of 100 ° C to reach. Typical collector technologies are in listed in series:

- tower with closed receiver and heliostat field, which directly heats the combustion compo enable nenten.
- Collector array with trough collectors or dishes that indirect heating of the combustion components enable via a heat transfer medium.
- tower with closed receiver and heliostat field, which indirectly heats the combustion compo allow nenten over a heat transfer medium.
- Tower with an open, volumetric receiver, with a Part of the by the power plant air preheater (Luvo) preheated air is lost.
- Highly efficient air collectors or Flat plate collectors.

Claims

1.Device for steam generation, in particular for hybrid power plants for the use of fossil and solar energy sources, with a steam generator which has an exhaust air line, an air supply line and a supply line for the fossil fuel and an air preheater unit in which the supply air line and the exhaust air line are thermally connected are coupled, characterized in that before entering the air line and the supply line for the fossil fuel in the steam generator and after the air preheater unit at least one solar heating unit is provided on which the media containing the respective supply lines can be heated.

2. Device according to claim 1, characterized in that a solar pre heating unit after the air preheating unit in the Supply air line is provided.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a solar preheating unit is provided in the supply line for the fossil fuel.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the supply air line and Supply line for the fossil fuel before entering the steam generator merges.

5. The device according to claim 4, characterized in that a solar preheating unit is provided in the supply part in which the supply air and the fossil fuel are contained together.