DE19530099B4

DE19530099B4 - Wärmerückgewinnung in einem Flüssigkeitsringpumpen-Sperrflüssigkeitskühlersystem

Info

Publication number: DE19530099B4
Application number: DE19530099A
Authority: DE
Inventors: John K. jun. Huntington Glenn
Original assignee: Nash Elmo Industries LLC
Current assignee: Gardner Denver Nash LLC
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: JP3753760B2; CA2152759A1; JPH0874521A; DE19530099A1; GB9513266D0; US5469705A; GB2292791B; GB2292791A; KR960007997A; KR100378032B1; CA2152759C

Abstract

Kraftwerk mit:
einem Heizkessel (30) zum Erwärmen eines Fluids, um aus dem Fluid eine Gasphase zu bilden;
einem Energiewandler (40, 60) zum Erzeugen mechanischer Energie aus der Gasphase, wobei der Energiewandler eine erste Rohrleitung (35) zum Zuführen der Gasphase vom Heizkessel (30) zum Energiewandler (40, 60) aufweist;
einem Verflüssiger (50) zum teilweisen Verflüssigen der Gasphase in eine Flüssigphase des Fluids, nachdem die Gasphase den Energiewandler (40, 60) durchlaufen hat, wobei der Verflüssiger eine zweite Rohrleitung (45) zum Zuführen der Gasphase vom Energiewandler (40, 60) zum Verflüssiger (50) aufweist;
einer Flüssigkeitsringpumpe (10) zum Absaugen nichtkondensierten Gases vom Verflüssiger (50) mit einer vorgegebenen Rate über eine zwischen der Flüssigkeitsringpumpe (10) und dem Verflüssiger (50) angeordnete und mit diesen verbundene dritte Rohrleitung (18);
einem Kühler (20) zum Kühlen einer von der Flüssigkeitsringpumpe (10) ausströmenden Sperrflüssigkeit, wobei der Kühler eine vierte Rohrleitung (15, 19) zum Zuführen der von der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen des Wirkungsgrades eines Kraftwerks und insbesondere eines Kraftwerks mit: einem Heizkessel oder Boiler zum Erwärmen eines Fluids (typischerweise Wasser), um eine Gasphase (typischerweise Wasserdampf) zu erzeugen, einer Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus der Gasphase, einem Verflüssiger zum teilweisen Verflüssigen der Gasphase in eine Flüssigphase (typischerweise wiederum Wasser), nachdem die Gasphase die Energieerzeugungseinrichtung durchlaufen hat, einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe zum Absaugen nichtkondensierten Gases vom Verflüssiger, und einem Kühler oder Kältekompressor zum Kühlen einer Sperrflüssigkeit (typischerweise Wasser), die vom Flüssigkeitsringpumpensystem ausströmt, um diese in der Flüssigkeitsringpumpe wiederzuverwenden, wobei durch die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung bereitgestellt wird, durch die die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme ausgenutzt wird, um einen Teil des dem Heizkessel zugeführten Fluids zu erwärmen, wodurch die Wärmemenge verringert werden kann, die durch den Heizkessel erzeugt werden muß, um eine Gasphase des Fluids zu erzeugen, so daß Elektrizität erzeugt werden kann. Die vom Kühler wiedergewonnene Wärme umfaßt Wärmeanteile, die erzeugt werden durch: (1) Dampfverflüssigung in der Vakuumpumpe, (2) Gasverdichtung in der Vakuumpumpe und (3) Verdichtungsarbeit des Kühlers.

Um den Druck im Verflüssiger eines turbinengetriebenen Kraftwerks zu verringern, wurde bisher in Kraftwerken eine Flüssigkeitsringpumpe verwendet, um nichtkondensierten Dampf und durch Undichtigkeiten ausströmende Luft vom Verflüssiger abzusaugen. Aus der Flüssigkeitsringpumpe ausströmende Sperrflüssigkeit wird typischerweise gekühlt and daraufhin in der Flüssigkeitsringpumpe wiederverwendet. Durch Verwenden einer gekühlten Sperrflüssigkeit in der Flüssigkeitsringpumpe wird der Wirkungsgrad der Flüssigkeitsringpumpe erhöht. Wie in der US-A-4359313 (die hierin durch einen Literaturverweis eingeschlossen ist) beschrieben ist, kann die ausgeströmte Sperrflüssigkeit unter Verwendung eines Kühlers (z.B. einer mechanischen Kältemittelverdampfungs-Kühleinrichtung) gekühlt werden, durch deren Verwendung der Wirkungsgrad der Flüssigkeitsringpumpe weiter erhöht wird, weil die ausgeströmte Sperrflüssigkeit auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die niedriger ist als die Temperaturen, die bei einem passiven System, wie beispielsweise einem System, bei dem Kühlwasser verwendet wird, um Wärme von der ausströmenden Sperrflüssigkeit zu absorbieren, erreicht werden können. Beim Abkühlen der Sperrflüssigkeit erzeugt der Kühler Wärme, die bei herkömmlichen Systemen durch Kühlwasser abgeführt oder an die den Kühler umgebende Luft abgegeben wurde.

Die GB-1542483 beschreibt eine Luftpumpenanordnung für Dampfturbinenkondensatoren, die eine zweistufige Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe aufweist.

Um den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu maximieren, ist es wünschenswert, die durch den Kühler erzeugte Wärme auszunutzen, um einen Teil des dem Heizkessel zugeführten Fluids zu erwärmen und dadurch die Energiemenge zu verringern, die durch den Heizkessel erzeugt werden muß, um das Fluid in eine Gasphase umzuwandeln, so daß Elektrizität erzeugt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die durch den Kühler erzeugte Wärme auszunutzen, um einen Teil des durch den Heizkessel verwendeten Fluids zu erwärmen und dadurch die Energiemenge zu verringern, die durch den Heizkessel zum Umwandeln des Fluids in eine Gasphase erzeugt werden muß, um dadurch den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird durch die vorliegende Erfindung eine Rohrleitung zum Zuführen eines vorgegebenen Anteils der im Verflüssiger eines Kraftwerks verflüssigten bzw. kondensierten Flüssigkeit zum Kühler bereitgestellt, so daß dieser Flüssigkeitsanteil durch die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme erwärmt werden kann. Die erwärmte Flüssigkeit wird daraufhin dem Heizkessel zugeführt und weiter erwärmt, so daß elektrische Energie erzeugt werden kann. Durch die vorliegende Erfindung wird daher der Wirkungsgrad eines Kraftwerks erhöht, indem Wärme ausgenutzt wird, die bei herkömmlichen Kraftwerken freigesetzt wurde.

Die vorstehende und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung erläutert; es zeigt:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Kraftwerks.
Die bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kraftwerks weisen einen Heizkessel zum Erwärmen von Wasser auf, um Wasserdampf zu erzeugen, der zum Antreiben einer Turbine verwendet wird. In einem mit der Turbine mechanisch gekoppelten Generator wird elektrische Energie erzeugt. Nachdem der Wasserdampf die Turbine durchlaufen hat, wird dieser in einem Verflüssiger teilweise zu Wasser verflüs sigt, das dem Heizkessel erneut zugeführt und im Energieerzeugungszyklus wiederverwendet werden kann. Eine Flüssigkeitsringvakuumpumpe ist vorgesehen, um nichtkondensierten Wasserdampf (und Luft, die möglicherweise durch Undichtigkeiten in das System geströmt ist) vom Verflüssiger abzusaugen. Aus der Flüssigkeitsringpumpe ausströmende Sperrflüssigkeit (typischerweise Wasser) wird durch einen Kühler gekühlt und daraufhin erneut der Flüssigkeitsringpumpe zugeführt und darin wiederverwendet. Erfindungsgemäß wird ein vorgegebener Teil des im Verflüssiger gesammelten Wassers dem Kühler zugeführt, in dem das Wasser die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme absorbiert. Das erwärmte Wasser wird daraufhin für eine weitere Erwärmung dem Heizkessel zugeführt, um Wasserdampf zu erzeugen. Durch die Ausnutzung der durch den Kühler erzeugten Wärme zum Erwärmen eines Teils des verflüssigten Wassers, bevor dieses wieder dem Heizkessel zugeführt wird, wird der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines erfindungsgemäß aufgebauten Kraftwerks. Fluid (vorzugsweise Wasser) wird durch einen Heizkessel oder Verdampfer 30 erwärmt, um eine Gasphase (vorzugsweise Wasserdampf) des Fluids zu erzeugen. Die Gasphase durchläuft eine Rohrleitung 35 und wird einem Energiewandler mit einer Turbine 40 und einem durch eine mechanische Verbindung 42 mit der Turbine 40 verbundenen Stromgenerator 60 zugeführt. Nachdem die Gasphase die Turbine 40 durchlaufen hat, wird die Gasphase über eine Rohrleitung 45 einem Verflüssiger 50 zugeführt. Im Verflüssiger 50 wird die Gasphase durch Kühlwasser, das über eine Rohrleitung 51 in den Verflüssiger 50 geleitet wird, teilweise verflüssigt und vom Verflüssiger 50 über eine Rohrleitung 52 abgeleitet.
Eine Flüssigkeitsringpumpe 10 mit einer Sperrflüssigkeit (vorzugsweise Wasser) ist vorgesehen, um nichtkondensiertes Gas mit einer vorgegebenen Saugleistung bzw. Rate vom Verflüssiger 50 abzusaugen. Zu diesem Zweck ist die Einlaßöffnung 8 der Flüssigkeitsringpumpe 10 über eine Rohr leitung 18 mit dem Verflüssiger 50 verbunden. Der Hauptanteil des im Verflüssiger 50 vorhandenen Gases ist die durch den Heizkessel 30 erzeugte nichtkondensierte Gasphase, wobei das Gas jedoch auch durch Undichtigkeiten in das System eingeströmte Luft aufweisen kann. Es ist wünschenswert, diese Luft zu entfernen, weil diese den Verflüssigungsprozeß im Verflüssiger stören und außerdem die Korrosion von Heizkesselkomponenten beschleunigen kann. Außerdem wird durch Absaugen des Gases vom Verflüssiger 50 der Wirkungsgrad des Verflüssigers durch Erzeugen eines niedrigeren Drucks im Verflüssiger erhöht, wodurch die Ausgangsleistung der Turbine 40 erhöht wird.
Sperrflüssigkeit (die die durch Dampfverflüssigung und Gasverdichtung in der Flüssigkeitsringpumpe 10 erzeugte Wärme absorbiert hat) strömt während des Pumpprozesses aus der Flüssigkeitsringpumpe 10 aus. Die ausströmende Sperrflüssigkeit durchläuft eine Rohrleitung 15 und wird in einem Auffanggefäß 16 gesammelt. Durch eine Abzugsöffnung 17 des Auffanggefäßes 16 kann Gas zur Atmosphäre entweichen, während die Sperrflüssigkeit in einem Speicherbehälter (nicht dargestellt) des Auffanggefäßes 16 gesammelt wird. Die im Auffanggefäß 16 gesammelte Sperrflüssigkeit wird durch eine Pumpe 3 über eine Rohrleitung 19 zum Kühler 20 gepumpt, durch den die Sperrflüssigkeit gekühlt wird. Der Kühler 20 kann ein beliebiger herkömmlicher Kühler sein. Beispielsweise kann der Kühler 20 ein herkömmlicher mechanischer Kühlmittelverdampfungs-Röhrenwärmetauscher sein. (In der US-A-4359313 wird die Verwendung eines Kühlers zum Kühlen der Sperrflüssigkeit einer Flüssigkeitsringpumpe ausführlich beschrieben.) Die gekühlte Sperrflüssigkeit wird anschließend über eine Rohrleitung 13a der Flüssigkeitsringpumpe 10 erneut zugeführt und in der Flüssigkeitsringpumpe 10 wiederverwendet. Durch Zuführen gekühlter Sperrflüssigkeit zur Flüssigkeitsringpumpe 10 wird der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht.
Die Einlaßöffnung 8 der Flüssigkeitsringpumpe 10 weist eine mit einer Rohrleitung 13b verbundene Düse 9 auf. Ge kühlte Sperrflüssigkeit wird von der Rohrleitung 13b durch die Düse 9 in die Einlaßöffnung 8 gesprüht, wodurch die in die Flüssigkeitsringpumpe 10 strömende, nichtkondensierte Gasphase (bei der bevorzugten Ausführungsform Wasserdampf) teilweise verflüssigt wird. Durch das Zerstäuben wird die Absaugrate für das vom Verflüssiger 50 abgesaugte Gas erhöht. Eine weitere Verflüssigung der nichtkondensierten Gasphase wird in der Flüssigkeitsringpumpe 10 erreicht, in der die nichtkondensierte Gasphase an der Oberfläche der Sperrflüssigkeit der Pumpe 10 teilweise verflüssigt wird und sich mit der Sperrflüssigkeit der Pumpe 10 vermischt.
Während des Prozesses zum Kühlen der Sperrflüssigkeit wird durch den Kühler 20 Wärme erzeugt. Diese Wärme umfaßt (1) einen von der Sperrflüssigkeit entzogenen Wärmeanteil und (2) einen durch die Komponenten des Kühlers erzeugten Wärmeanteil, der beim Verrichten einer Arbeit, bei der der Sperrflüssigkeit Wärme entzogen wird, erzeugt wird (z.B. durch Kühlgasverdichtung im Kühler erzeugte Wärme). Die der Sperrflüssigkeit entzogene Wärme umfaßt die durch Dampfverflüssigung und die durch Gasverdichtung in der Flüssigkeitsringpumpe erzeugten Wärmeanteile.
Erfindungsgemäß wird die durch den Kühler 20 erzeugte Wärme dazu verwendet, einen vorgegebenen Teil der vom Verflüssiger 50 zum Heizkessel 30 geleiteten Flüssigkeit zu kühlen und dadurch die Wärmemenge zu vermindern, die vom Heizkessel 30 erzeugt werden muß, um die Flüssigphase in die Gasphase umzuwandeln. Um dies zu erreichen, wird Flüssigkeit über eine Rohrleitung 22 vom Verflüssiger 50 Rohrleitungen 25 und 25a zugeführt. Über die Rohrleitung 25a wird ein vorgegebener Teil der Flüssigkeit dem Kühler 20 zugeführt, so daß der vorgegebene Teil der Flüssigkeit durch die während des Betriebs des Kühlers 20 entzogene oder erzeugte Wärme erwärmt wird. Die erwärmte Flüssigkeit durchläuft anschließend die Rohrleitung 25b und wird wieder mit der Flüssigkeit in der Rohrleitung 25 kombiniert. Die kombinierte Flüssigkeit wird daraufhin dem Heizkessel 30 zugeführt und darin weiter erwärmt, um eine Gasphase zu erzeugen, die in der Turbine 40 verwendet wird. Der Wirkungsgrad des Kraftwerks wird dadurch erhöht, daß die durch den Kühler erzeugte Wärme ausgenutzt wird, um eine Gasphase des Fluids zu erzeugen anstatt zuzulassen, daß die Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung, durch die die durch den Kühler erzeugte Wärme ausgenutzt wird, um einen Teil der dem Heizkessel eines Kraftwerks zugeführten Flüssigkeit zu erwärmen, dient nur als Beispiel zum Darstellen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wobei verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Anwendungsbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann, um den Fluidvorrat im Heizkessel 30 wieder aufzufüllen, eine Rohrleitung vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß neues Fluid (d.h. bei der bevorzugten Ausführungsform Zusatzwasser) der Rohrleitung 25a zugeführt und durch den Kühler 20 erwärmt wird, bevor es dem Heizkessel 30 zugeführt wird. Außerdem kann der Heizkessel 30 Wärme durch Verbrennen eines geeigneten Kraftstoffs (z.B. Kohle oder Erdöl) oder durch eine gesteuerte bzw. kontrollierte thermonukleare Reaktion erzeugen.

Claims

Kraftwerk mit: einem Heizkessel (30) zum Erwärmen eines Fluids, um aus dem Fluid eine Gasphase zu bilden; einem Energiewandler (40, 60) zum Erzeugen mechanischer Energie aus der Gasphase, wobei der Energiewandler eine erste Rohrleitung (35) zum Zuführen der Gasphase vom Heizkessel (30) zum Energiewandler (40, 60) aufweist; einem Verflüssiger (50) zum teilweisen Verflüssigen der Gasphase in eine Flüssigphase des Fluids, nachdem die Gasphase den Energiewandler (40, 60) durchlaufen hat, wobei der Verflüssiger eine zweite Rohrleitung (45) zum Zuführen der Gasphase vom Energiewandler (40, 60) zum Verflüssiger (50) aufweist; einer Flüssigkeitsringpumpe (10) zum Absaugen nichtkondensierten Gases vom Verflüssiger (50) mit einer vorgegebenen Rate über eine zwischen der Flüssigkeitsringpumpe (10) und dem Verflüssiger (50) angeordnete und mit diesen verbundene dritte Rohrleitung (18); einem Kühler (20) zum Kühlen einer von der Flüssigkeitsringpumpe (10) ausströmenden Sperrflüssigkeit, wobei der Kühler eine vierte Rohrleitung (15, 19) zum Zuführen der von der Flüssigkeitsringpumpe (10) ausströmenden Sperrflüssigkeit zum Kühler (20) und eine fünfte Rohrleitung (13) zum Zuführen der Sperrflüssigkeit vom Kühler (20) zur Flüssigkeitsringpumpe (10) aufweist, um diese in der Flüssigkeitsringpumpe (10) wiederzuverwenden, nachdem die Sperrflüssigkeit durch den Kühler (20) gekühlt wurde; einer sechsten Rohrleitung (22) zum Zuführen eines vorgegebenen Teils der Flüssigphase vom Verflüssiger (50) zum Kühler (20), so daß der vorgegebene Teil der Flüssigphase durch während des Betriebs des Kühlers (20) erzeugte Wärme erwärmt wird; und einer siebenten Rohrleitung (25b) zum Zuführen des vorgegebenen Teils der Flüssigphase vom Kühler (20) zum Heizkessel (30), nachdem der vorgegebene Teil der Flüssigphase durch den Kühler (20) erwärmt wurde, wobei der vorgegebene Teil der Flüssigphase im Heizkessel durch weiteres Erwärmen wiederverwendet wird.
Kraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Energiewandler eine Turbine (40) und einen nachgeschalteten Stromgenerator (60) aufweist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühler eine mechanische Kühleinrichtung aufweist.
Kraftwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme einen durch den Kühler von der Sperrflüssigkeit entzogenen Wärmeanteil aufweist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme einen Wärmeanteil aufweist, der durch die durch den Kühler zum Entziehen von Wärme von der Sperrflüssigkeit verrichtete Arbeit erzeugt wird.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sperrflüssigkeit im wesentlichen Wasser ist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluid im wesentlichen Wasser ist.
Verfahren zum Ausnutzen der während des Betriebs des Kühlers erzeugten Wärme für ein Kraftwerk mit: einem Heizkessel zum Erwärmen eines Fluids, um eine Gasphase des Fluids zu bilden, einem Energiewandler vorzugsweise mit einer Turbine und einem nachgeschalteten Stromgenerator zum Erzeugen mechanischer bzw. elektrischer Energie aus der Gasphase, einem Verflüssiger zum teilweisen Verflüssigen der Gasphase in eine Flüssigphase, nachdem die Gasphase den Energiewandler durchlaufen hat, einer Flüssigkeitsringpumpe mit einer Sperrflüssigkeit zum Absaugen nichtkondensierten Gases vom Verflüssiger und einem Kühler zum Kühlen der von der Flüssigkeitsringpumpe ausströmenden Sperrflüssigkeit zur Wiederverwendung in der Flüssigkeitsringpumpe, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen eines vorgegebenen Teils der im Verflüssiger verflüssigten Flüssigphase vom Verflüssiger zum Kühler; Erwärmen des vorgegebenen Teils der Flüssigphase durch die während des Betriebs des Kühlers erzeugte Wärme; und Zuführen des vorgegebenen Teils der Flüssigphase vom Kühler zum Heizkessel, wobei der vorgegebene Teil der Flüssigphase im Heizkessel durch weiteres Erwärmen durch den Heizkessel wiederverwendet wird, um mechanische bzw. elektrische Energie zu erzeugen.