DE19538674A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus Sattdampf sowie Dampfkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von über­ hitztem Dampf aus Sattdampf. Sie richtet sich weiter auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens und auf eine Dampfkraftanlage mit einer derartigen Einrichtung.

Bei der Verdampfung von Wasser durch Zuführung von Wärme ver­ dampft dieses ganz oder teilweise. Der dabei entstehende Dampf steht mit dem verbliebenen Wasser im thermischen Gleichgewicht und wird üblicherweise als Sattdampf bezeich­ net. Derartiger Sattdampf enthält möglicherweise beträchtli­ che Wasseranteile, so daß dem Sattdampf ausgesetzte Maschi­ nenteile Schäden, beispielsweise in Form von Korrosion, er­ leiden können. Aus diesem Grund und/oder aus thermodynami­ schen Gründen ist bei der Nutzung von Dampf als Prozeßdampf in der chemischen Industrie oder als Arbeitsmedium in einer Dampfkraftanlage eine Überhitzung von Sattdampf erforderlich. Zur Überhitzung wird der Sattdampf üblicherweise zunächst vom Wasser getrennt, bevor ihm weitere Wärme zugeführt wird.

Bei einer nach dem Naturumlaufprinzip arbeitenden Dampfkraft­ anlage ist üblicherweise ein in einem Dampferzeuger angeord­ neter Verdampfer sowohl wasser- als auch dampfseitig mit ei­ ner Dampftrommel verbunden. Das im Verdampfer erzeugte Wasser-Dampf-Gemisch wird der Dampftrommel zugeleitet, die zu einer Trennung von Wasser und Dampf dient. Aus der Dampftrom­ mel wird das Wasser wiederum dem Verdampfer zugeleitet, so daß ein vollständiger Umlauf gegeben ist. In der Dampftrommel steht der Dampf mit dem Wasser im Gleichgewicht und liegt somit als Sattdampf vor. Zur Abzweigung von durch die Ver­ dampfung gewonnenem Sattdampf als Nutzdampf ist an der Dampf­ trommel ein Nutzdampfausgang angeordnet. Beim Betrieb der Dampfkraftanlage wird der Nutzdampf üblicherweise einer Über­ hitzerheizfläche zugeführt und dort überhitzt. Der so über­ hitzte Dampf wird dann der Dampfturbine zugeführt, wo er sich arbeitsleistend entspannt.

Bei einem Anfahrvorgang der Dampfkraftanlage, beispielsweise nach einem Nachtstillstand, ist es erforderlich, der Dampf­ turbine Sperrdampf zuzuführen, durch dessen Einleitung in ei­ nen Dichtungsbereich zwischen Turbinenwelle und Turbinenge­ häuse eine Abdichtung des Turbineninneren gegen die Umgebung der Dampfturbine sichergestellt wird. Eine Zuführung von nicht überhitztem Dampf oder Sattdampf als Sperrdampf setzt dabei Strukturteile der Dampfturbine einer erhöhten Gefähr­ dung durch Korrosion oder Spannungsbeanspruchung aus. Insbe­ sondere für eine Dampfkraftanlage, die nach häufigen Nacht­ stillständen wieder anzufahren ist, ist daher die Zuführung von überhitztem Dampf als Sperrdampf erforderlich. Besonders bei einem Anfahrvorgang nach einem Nachtstillstand ist das Temperaturniveau im Dampferzeuger jedoch oftmals nicht aus­ reichend hoch, um eine ausreichende Dampfüberhitzung mittels der im Dampferzeuger vorgesehenen Überhitzerheizflächen zu gewährleisten. Gleich oder ähnliche Anforderungen werden häu­ fig auch an den eingangs erwähnten Prozeßdampf gestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus Sattdampf anzugeben, wobei die Bereitstellung von überhitztem Dampf mit einfachen Mitteln besonders zuverlässig gewährlei­ stet sein soll.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem ein erster Teilstrom des Sattdampfes gedrosselt wird, bevor er durch Wärmetausch mit einem zweiten Teilstrom des Sattdampfes überhitzt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß bei­ spielsweise als Prozeßdampf in der chemischen Industrie oder als Sperrdampf beim Anfahren einer Dampfturbine benötigter überhitzter Dampf auf einem niedrigeren Druckniveau liegen kann als der zur Verfügung stehende Sattdampf. Somit ist eine Entspannung eines der Nutzung zuzuführenden ersten Teilstro­ mes des Sattdampfes möglich. Bei dieser Drosselung des ersten Teilstromes senkt sich dessen Temperaturniveau ab. Die somit entstehende Temperaturdifferenz zwischen dem nicht ge­ drosselten Sattdampf und dem gedrosselten ersten Teilstrom des Sattdampfes kann daher zur Überhitzung des ersten Teil­ stromes herangezogen werden.

Um den erzeugten überhitzten Dampf hinsichtlich seines Mas­ senstromes und seines Druckniveaus besonders flexibel an die Prozeßerfordernisse anpassen zu können, wird der erste Teil­ strom vorteilhafterweise über ein regelbares Drosselventil geführt.

Um mit einfachen Mitteln eine besonders lange Lebensdauer ei­ ner Dampfturbine auch bei häufigen Nachtstillständen zu ge­ währleisten, wird zweckmäßigerweise der entspannte und über­ hitzte erste Teilstrom einer Dampfturbine zugeführt. Zudem wird vorteilhafterweise der Sattdampf aus einer Dampftrommel des Wasser-Dampf-Kreislaufs einer Dampfturbine entnommen.

Bezüglich der Einrichtung zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus Sattdampf wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß ge­ löst mittels eines Wärmetauschers, der primärseitig und über ein Drosselorgan sekundärseitig an ein Sattdampfreservoir an­ geschlossen ist.

Zur Anpassung des Massenstroms und/oder des Druckniveaus des überhitzten Dampfes an die Prozeßerfordernisse ist das Dros­ selorgan zweckmäßigerweise ein regelbares Drosselventil.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung ist der Wärmetauscher sekundärseitig mit einer Dampfturbine verbunden. Das Satt­ dampfreservoir ist vorteilhafterweise eine in den Wasser- Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltete Dampftrommel.

Bezüglich der Dampfkraftanlage mit einer Dampfturbine, in de­ ren Wasser-Dampf-Kreislauf eine Dampftrommel geschaltet ist, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem in die Dampfturbine eine an die Dampftrommel angeschlossene se­ parate Sperrdampfleitung mündet, in die sekundärseitig ein primärseitig an die Dampftrommel angeschlossener Wärmetau­ scher geschaltet ist.

Um eine lange Lebensdauer einer Dampfturbine mit besonders einfachen Mitteln und besonders zuverlässig sicherzustellen, wird zweckmäßigerweise der gemäß dem obengenannten Verfahren überhitzte Dampf beim Anfahren der Dampfturbine zu deren Ab­ dichtung verwendet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch die Überhitzung des entspannten ersten Teilstromes des Sattdampfes durch Wärmetausch mit einem zwei­ ten Teilstrom des Sattdampfes eine zuverlässige Erzeugung von überhitztem Dampf mit besonders einfachen Mitteln gewährlei­ stet ist. Insbesondere bei einer Dampfkraftanlage mit häufi­ gen Nachtstillständen ist somit eine Versorgung der Dampftur­ bine mit überhitztem Dampf als Sperrdampf bei einem Wiederan­ fahren gewährleistet, ohne daß eine zusätzliche Heiz- oder Überhitzungsvorrichtung erforderlich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch eine Dampfkraftanlage.

Die Dampfkraftanlage 1 gemäß der Figur umfaßt eine Dampftur­ bine 2, die über eine Turbinenwelle 4 mit einem Generator 6 verbunden ist. Die Dampfturbine 2 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 10 an einen Kondensator 12 angeschlossen. Der Kondensator 12 ist über eine Leitung 14, in die eine Kon­ densatpumpe 16 geschaltet ist, mit einem Speisewasserbehälter 18 verbunden. Der Speisewasserbehälter 18 ist ausgangsseitig über eine Zuführungsleitung 20, in die eine Speisewasserpumpe 22 geschaltet ist, an eine Dampftrommel 24 angeschlossen. Zur Vorwärmung von der Dampftrommel 24 zuzuführendem Speisewasser S kann in die Leitung 20 eine Anzahl nicht dargestellter Vor­ wärmerheizflächen oder ein Economizer geschaltet sein.

Die Dampftrommel 24 ist wasserausgangsseitig und dampfein­ gangsseitig mit einem in einem Dampferzeuger 26 angeordneten Verdampfer 28 verbunden. Der Dampferzeuger 26 kann dabei ein fossil- oder nuklearbefeuerter Dampferzeuger oder auch ein Hitzedampferzeuger sein. An der Dampftrommel 24 ist weiter­ hin ein Nutzdampfausgang 30 angeordnet, der über einen im Verdampfer 26 angeordneten Überhitzer 32 an die Dampfturbine 2 angeschlossen ist.

Die Dampfturbine 2 kann eine oder mehrere Druckstufen umfas­ sen. Je nach Anzahl der Druckstufen und je nach Auslegung des Wasser-Dampf-Kreislaufs 34 der Dampfturbine 2 können zusätz­ lich zu den in der Figur dargestellten Heizflächen 28 und 32 weitere Heizflächen vorgesehen sein.

An die Dampftrommel 24 ist eine Sperrdampfleitung 40 ange­ schlossen, über die der Dampfturbine 2 Sperrdampf SD zuführ­ bar ist. In die Sperrdampfleitung 40 ist ein als regelbares Drosselventil ausgebildetes Drosselorgan 42 geschaltet. In Strömungsrichtung des Sperrdampfs SD gesehen nach dem Drossel­ organ 42 ist in die Sperrdampfleitung 40 ein Wärmetauscher 44 sekundärseitig geschaltet. Der Wärmetauscher 44 ist pri­ märseitig über eine von der Sperrdampfleitung 40 abzweigende Teilstromleitung 46 an die Dampftrommel 24 angeschlossen.

Beim Betrieb der Dampfkraftanlage 1 wird von der Dampftrommel 24 dem Verdampfer 28 zugeführtes Wasser W dort ganz oder teilweise verdampft und als Dampf D oder Wasser-Dampf-Gemisch WD in die Dampftrommel 24 zurückgeführt. In der Dampftrommel 24 wird der Dampf D vom Wasser W separiert. Der Dampf D be­ findet sich in der Dampftrommel 24 mit dem Wasser W im ther­ modynamischen Gleichgewicht und liegt somit als Sattdampf vor.

Unter Überdruck stehender heißer Nutzdampf N kann der Dampf­ trommel 24 entnommen und über den Überhitzer 32 der Dampftur­ bine 2 zugeführt werden, wo er sich arbeitsleistend ent­ spannt.

Um eine Abdichtung des Turbineninneren der Dampfturbine 2 ge­ gen deren Umgebung sicherzustellen, wird insbesondere bei ei­ nem Anfahrvorgang einem Bereich zwischen der Turbinenwelle 4 und dem Gehäuse der Dampfturbine 2 Sperrdampf SD zugeführt. Dazu wird der als ein Sattdampfreservoir dienenden Dampf­ trommel 24 ein Teilstrom t₁ von als Sattdampf vorliegendem Dampf D entnommen. Der Teilstrom t₁wird über das regelbare Drosselventil oder das Drosselorgan 42 derart gedrosselt, daß sein Druckniveau an die Erfordernisse der Dampfturbine 2 an­ gepaßt ist. Durch die Drosselung senkt sich das Temperatur­ niveau des Teilstroms t₁ ab. Ein zweiter in der Teilstromlei­ tung 46 geführter nicht gedrosselter Teilstrom t₂ des als Sattdampf vorliegenden Dampfes D weist somit eine höhere Tem­ peratur auf als der im Drosselorgan 42 gedrosselte erste Teilstrom t₁. Durch einen Wärmetausch des nicht gedrosselten zweiten Teilstroms t₂ mit dem gedrosselten ersten Teilstrom t₁ im Wärmetauscher 44 wird der Teilstrom t₁ überhitzt. Dieser überhitzte Teilstrom t₁ kann dann der Dampfturbine 2 als Sperrdampf SD zugeführt werden, ohne daß diese einer Gefähr­ dung durch Korrosion ausgesetzt ist.

Die Dampfkraftanlage 1 ist somit besonders geeignet für ein häufiges Wiederanfahren der Dampfturbine 2, insbesondere nach einem Nachtstillstand. Nach einem Nachtstillstand weist der in der Dampftrommel 24 als Sattdampf vorliegende Dampf D eine Temperatur von etwa 210°C auf. Aufgrund von Druck- und Tem­ peraturverlusten in Rohrleitungen und aufgrund der Drosselung durch das Drosselorgan 42 weist der Teilstrom t₁ nach seiner Drosselung eine Temperatur von etwa 150°C auf. Durch Wärme­ tausch mit dem nicht gedrosselten Teilstrom t₂ kann diese Temperatur auf etwa 180°C erhöht werden, ohne daß dazu eine zusätzliche Überhitzereinrichtung benötigt wird. Die Überhit­ zung des Teilstroms t₁ ist somit mit besonders einfachen Mit­ teln und besonders zuverlässig gewährleistet.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus Satt­ dampf, bei dem ein erster Teilstrom (t₁) des Sattdampfes ge­ drosselt wird, bevor er durch Wärmetausch mit einem zweiten Teilstrom (t₂) des Sattdampfes überhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom (t₁) über ein regelbares Drosselventil ge­ drosselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gedrosselte und überhitzte erste Teilstrom (t₁) einer Dampf­ turbine (2) zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattdampf aus einer Dampftrommel (24) des Wasser-Dampf-Kreislaufs (34) einer Dampfturbine (2) entnommen wird.

5. Einrichtung zur Erzeugung von überhitztem Dampf aus Satt­ dampf mittels eines Wärmetauschers (44), der primärseitig und über ein Drosselorgan (42) sekundärseitig an ein Sattdampfre­ servoir angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (42) ein regelbares Drosselventil ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (44) sekundärseitig mit einer Dampfturbine (2) verbunden ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sattdampfreservoir eine in den Wasser-Dampf-Kreislauf (34) einer Dampfturbine (2) geschaltete Dampftrommel (24) ist.

9. Dampfkraftanlage (1) mit einer Dampfturbine (2), in deren Wasser-Dampf-Kreislauf (34) eine Dampftrommel (24) geschaltet ist, wobei in die Dampfturbine (2) eine an die Dampftrommel (24) angeschlossene separate Sperrdampfleitung (40) mündet, in die sekundärseitig ein primärseitig an die Dampftrommel (24) angeschlossener Wärmetauscher (44) geschaltet ist.

10. Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 überhitzten Dampfes zum Anfahren einer Dampftur­ bine (2) einer Dampfkraftanlage (1).