DE2335742A1

DE2335742A1 - Verfahren zum anpassen einer waermekraftanlage an ein netz mit wechselndem leistungsbedarf und anlage zur ausuebung des verfahrens

Info

Publication number: DE2335742A1
Application number: DE19732335742
Authority: DE
Inventors: Pierre Henri Pacault
Original assignee: Babcock Atlantique SA
Current assignee: Babcock Atlantique SA
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: CA986378A; CH583851A5; GB1407531A; NL7309788A; IE37906B1; JPS5047043A; US3886749A; LU67991A1; BE802267A; IE37906L; IT991189B; ES416908A1

Description

Babcock-Atlantique, Socie*te Anonyme 48, Rue La Boe*tie

F-75008 Paris / Frankreich

Verfahren zum Anpassen einer Wärmekraftanlage an ein Netz mit wechselndem Leistungsbedarf und Anlage zur Ausübung des Verfahrens

In dem französischen Patent 70 21245 vom 10.6.1970 ist mit Bezug auf die Anpassung einer Wärmekraftanlage an ein Netz mit' wechselndem Leistungsbedarf eine Technik der Speicherung und Rückgabe von Energie beschrieben worden; diese Technik zeichnete sich dadurch aus, daß ein reversibler Wärmeaustausch zwischen einem Speicherbereich und mindestens einem ArbeitsfIuid der genannten Anlage vorgenommen wurde.

Die Erfindung betrifft Wärmekraftwerke zur Energieerzeugung im Dampfkreislauf, dazu bestimmt, ein Netz mit wechselndem Leistungsbedarf zu speisen und daher, wie in

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dem erwähnten Patent beschrieben, mit einer Anlage zur Speicherung und Rücklieferung von Energie in Form von Wärme versehen, damit der Betrieb der Wärmeenergiequelle zumindest teilweise den Schwankungen des Bedarfs der Energieverbraucher entzogen ist.

Bei den auf diese Weise ausgerüsteten Kraftwerken wird während der Zeitabschnitte niedrigen Leistungsbedarfs im Netz, d.h. während der Niederlastzeiten, in einem Speicher ein Teil der von der Wärmequelle gelieferten Energie gesammelt und dem Dampfkreislauf in Zeitabschnitten mit hohem Leistungsbedarf, d.h. in Spitzenlastzeiten, zurückerstattet, so daß die Wärmeenergiequelle in gewissem Umfang mit gleichbleibendem Betriebszustand arbeiten kann, was besonders wünschenswert dann ist, wenn es sich bei der thermischen Energiequelle um einen Kernreaktor handelt.

Derartige Kraftwerke weisen im allgemeinen Anzapfungen an der Turbine auf, die in an sich bekannter Weise einem Wassergerät Wärme zuführen und das von dem Kondensator in den Dampfkessel zurückfliessende Wasser vorwärmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Technik der Wärmespeicherung und -rücklieferung weiterzuentwickeln und ihren thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.

Eine hierfür erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung zwischen der Wärmekraftanlage einerseits und dem Speicher andererseits mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt, die im Wärmeaustausch mit dem Dampf steht, von dem zumindest ein Teil mechanische Arbeit in einer Turbine geleistet hat.

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Ein wesentlicher Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß die Entnahme und die Rücklieferung von Wärme bei praktisch denselben Temperaturen stattfindet; aus diesem Grunde ist der energetische Wirkungsgrad Speicherung/ Rücklieferung sehr hoch.

Bei einer nach dieser technischen Konzeption gebauten Anlage werden die WärmeÜbergangsstellen durch eine Anzahl Dampfwärmeaustauscher und Vorwärmer gebildet, die in einer gestaffelten Folge von Temperaturbereichen arbeiten, die von der Temperatur des Frischdampfs am Generatorausgang bis zu der Speisewassertemperatur am Ausgang einer Anzapfung reichen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Turbine eine Dampfmenge entnommen, die über der für das Wassergerät erforderlichen liegt, und die von dem Überschußdampf repräsentierte Wärme wird aufgespeichert, indem dazu vorteilhafterweise eine Zweigleitung der Wasserleitung benutzt wird, welches Wasser das Zwischenübertragung smittel zwischen dem Oberschußdampf und dem Wärmeträgerfluid der Speicheranlage darstellt. Die Erfindung schlägt ausserdem vor, während der Niederlastzeit Frischdampf am Kessel abzuziehen, einerseits um den Abdampf des Hochdruckteils der Turbine zu überhitzen und andererseits um die gespeicherte Wärmemenge zu vergrössern, immer unter Einschaltung einer Zweigleitung der Wasserleitung. In Spitzenlastzeiten - um nur den Betrieb bei maximaler Leistungsabgabe zu betrachten- - wird fast die gesamte Anzapfung sowie jegliche Frischdampfentnahme unterbunden, und die gespeicherte Wärme bewirkt die Vorwärmung des Speise wassers für den Kessel sowie die Zwischenüberhitzung von dem Niederdruckteil der Turbine zugeführtem Dampf,

Es ist jedoch zu bemerken, daß, wenn die Wasservorwärm-

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temperatur und die Dampfzwischenüberhitzungstemperatur bei allen Betriebszuständen konstant gehalten werden soll, welche Bedingung man im allgemeinen einzuhalten sich bemüht, die maximale Abgabe von Speicherwärme, die in Freigabeabschnitten nutzbar ist, in Abhängigkeit von diesen Temperaturen und der von dem Kessel erzeugten Dampfnennmenge begrenzt ist. Wegen dieser für die Abgabe von Rücklief erungswärme geltenden Einschränkung kann das Kraftwerk sich ausserstande sehen, während Spitzenlastzeiten, die gesamte Wärme aufzunehmen, die in Niederlastzeiten gesammelt werden kann.

Die Erfindung arbeitet nach einem anderen Prinzip, durch das dieser Nachteil beseitigt oder gemildert werden soll, d.h. die Möglichkeit zur Aufnahme und Rücklieferung gespeicherter Wärme in einem Kraftwerk der oben beschriebenen Art erweitert werden soll und zwar vorzugsweise ohne Vergrösserung der Turbinenanzapfung, wobei ausserdem die Temperatur des Speisewassers für den Dampferzeuger konstant gehalten werden kann.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, an der Kesselspeisewasserleitung unterhalb des Wassergeräts der Anzapfungen einen zusätzlichen Wasservorwärmer anzuordnen, dem Wärme durch Firschdampf zugeführt wird, der am Dampferzeuger abgenommen wird. Dieser zusätzliche Vorwärmer, den man als "Speisewasservorwärmer" bezeichnen kann und der während der Niederlastzeit in Betrieb genommen wird, hat eine wesentliche Erhöhung der Temperatur des.dem Kessel zulaufenden Wassers zur Folge, verglichen mit der an dem Wassergerät an den Anzapfungen erreichbaren; diese unter allen Betriebszuständen konstant gehaltene Zulauftemperatur erhöht entsprechend die Rücklxeferkapazxtät der Wärmespeicheranlage in Spitzenlastzeiten,

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Bei Trocken- und Zwischenuberhxtzungsgeraten bekannter Art wird das durch Trennung gewonnene Wasser in die Spexse wasser leitung des Kessels zurückgeführt.

Die Erfindung sieht Einrichtungen vor, mit denen dieses Wasser nötigenfalls mit der Wärme verdampft wird, die aus. der Speicheranlage herrührt. Vorteilhafterweise findet diese Verdampfung nur in Rücklieferungs- oder Spitzenlastzeiten statt, während in Niederlastzexten das von dem Trockner-Zwischenüberhitzer ablaufende Wasser mit dem Wasserkreislauf in üblicher Weise wiedervereinigt wird.

Zweckmässigerweise wird der so erzeugte Dampf in den Trockner zum Trennen und Vorwärmen zurückgeführt.

Diese Verfahrensweise bietet bei thermischen Kernkraftwerken einen besonderen Vorteil, denn dadurch wird die gleichbleibende Betriebsweise des Reaktors erleichtert, wobei noch ein Trockner-Überhitzer ausgenutzt wird, der im allgemeinen zu diesen Kraftx<erken gehört.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachstehenden Beschreibung, die sich auf verschiedene Ausführungsformen bezieht, die als Beispiele anzusehen sind und keine Einschränkung der Erfindung bedeuten. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die Zeichnungen, die folgendes darstellen:

Fig. 1 Anwendung der Erfindung bei einem Wärmekraftwerk mit Dampfkreislauf für fossile oder Kernbrennstoffe (Schema) und den Umlauf des Wärmeträgerfluids in der Speicherungsperiode;

Fig. 2 die Anlage nach Fig. 1, jedoch mit Angaben über

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den Umlauf des Wärmeträgerfluids in der Rücklieferungsperiode ;

Fig. 3 eine abgeänderte Form der Anlage nach Fig. 1, bei der der Speicher und die Leitungen für das Wärmeträgerf luid sich aus serhalb des Wärmekraftwerks befinden;

Fig. 4 eine Zusatzeinrichtung für die Anlagen nach den Fig. 1 oder 2;

Fig. 5 eine andere Ausführungsform mit einem Speisewasservorwärmer unter Verwendung von Frischdampf als Erwärmungsfluid;

Fig. 6 eine weitere Anlage mit einem Napdampf-Trockner-Zwischenüberhitzer, eingerichtet zum Verdampfen des Kondenswassers dieser Vorrichtung.

Nach Fig. 1 liefert ein Dampferzeuger 1 Dampf an einen Turbogenerator, der in an sich bekannter Weise einen Hochdruckteil 2, einen Niederdruckteil 3 mit Kondensator 4 und einen Wechselstromgenerator umfaßt. Von der Hochdruck- bzw. Niederdruckstufe ausgehende Anzapfungen speisen die Vorwärmerkaskade 6, 7, 8 bzw. 9, 10, 11.

Der Weg des Frischdampfs und des Kondenswassers ist durch einen ausgezogenen Linienzug dargestellt, der von dem Ausgang 12 zum Wiedereintrittspunkt 13 verläuft; auf diesem Wege finden sich hintereinander und von oben stromabwärts gesehen ein Verzweigungspunkt 14, ein Hochdruckgehäuse 2, ein Separator 16, ein Rohrbündel 17 des Zwischenüberhitzers 15, ein Niederdruckgehäuse 3, ein Kondensator 4, eine Kondensatpumpe 20, die Vorwärmer

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und 10, das Rohrbündel 21 des Vorwärmers 18, in das die Speisepumpe 22 eingeschaltet ist, und eine Anschlußstelle

Eine Wärmeträgerflüssigkeit fließt längs zweier mit Pfeilen versehenen Wege, die voneinander abzweigen und mit jeweils einer Umlaufpumpe versehen sind. Der erste, gestrichelt angegebene Weg enthält, ausgehend von dem Verzweigungspunkt 24, hintereinander die nur in einer Richtung fördernde Pumpe 25, das Rohrbündel 2 6 des Vorwärmers 15, das Rohrbündel 27 des Speisewasservorwärmers 18, den aus einer Niederdruckanzapfung gespeisten Vorwärmer 9, die von Hochdruckanzapfungen gespeisten Vorwärmer 8, 7, 6 und den Frischdampf/Wärmeträgerflüssigkeit-Austauscher 28, dessen Dampfkreislauf von dem Verzweigungspunkt 14 aus gespeist wird und zu dem Anschlußpunkt 23 zurückkehrt.

Der zweite Weg von Wärmeträgerfluid, strichpunktiert gezeichnet, verläuft nacheinander von dem Verzweigungspunkt , 24 aus durch den Speicher 29, die Umlaufpumpe 30, deren Förderrichtung zum Sammler umgekehrt werden kann, die in den Kreis vor und hinter der Pumpe hintereinander eingeschalteten Ventile 31 und 32, die Ventile 33 und 34" und das in eine NebenSchlußleitung der Pumpe gesetzte Drosselorgan 35; am Verzweigungspunkt 36 vereinigt sich dieser Weg wieder mit dem ersten Weg.

Ein in eine Nebenschlußleitung der Pumpe 25 geschalteter Regler regelt ihre Fördermenge in Abhängigkeit von der Temperatur-des Speisewassers, gemessen am Punkt M am Ausgang des Rohrbündeis 21. Das Drosselorgan 35 im Nebenschluß der Pumpe 30 wird beispielsweise von dem Drehzahlregler der Turbine oder von einer beliebigen anderen, die Leistung definierenden Vorrichtung gesteuert.

Gemäß einer ersten, der Fig. 1 entsprechenden Arbeits-

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weise der so ausgeführten Anlage sind die an den Anzapfungen, die die Vorwärmerkaskade 6, 7, 8 und 9 speisen, befindlichen Ventile offen. Die Pumpen 25 und 30 fördern in übereinstimmender Richtung in den Speicher, die Ventile 31 und 32 sind offen, die Ventile 33 und 34 sind geschlossen; die Regelorgane 35 und 3 7 steuern die Förderung der zugeordneten Pumpen in Abhängigket von den vorgenannten Größen. Bei dem Wärmetauscher Frischdampf/Wärmeträgerflüssigkeit 2 8 nimmt die letztere Wärme auf und der Strom derart erwärmter Flüssigkeit wird einerseits durch den Speicher 2 9 geleitet, in dem er seine Wärme abgibt, und andererseits von der Pumpe 25 aufgenommen, die ihn zum Dampf Zwischenüberhitzer 15 fördert, der der Niederdruckstufe vorgeschaltet ist, zum Speisewasservorwärmer 18 und zu den Kaskadenvorwärmern 6, 7, und 9, Am Speicherausgang wird die Wärmeträgerflüssigkeit von der Pumpe 30 dem beiden Kreisläufen gemeinsamen Verz%igungspunkt 3 6 zugeführt.

Unter diesen Umbänden erzeugt die Anlage gleichzeitig elektrische Energie und einen Wärmevorrat. Die gelieferte elektrische Leistung ist geringer als die Nennleistung, aber die von der Wärmequelle des Generators 1 abgegebene thermische Energie kann wahlweise grosser als der Nennwert oder gleich diesem sein.

Die Fördermengen der Pumpen 25 und 30 werden folgendermaßen abgeglichen: wenn beispielsweise die Temperatur des Speisewassers, gemessen am Punkt M am Ausgang des Rohrbündels 21 des Vorwärmers 21, abnimmt, nimmt die Förderung der Pumpe 25 zu una aen Wärmeaustausch am Rohrbündel 21 durch Abgabe von Wärme an das Speisewasser zunehmen. Dieser Teil der Strömung wird anschliessend nacheinander vorgewärmt in der Vorwärmerkaskade 6, 7, 8 und 9 und entnimmt wiederum Wärme aus dem Wärmetauscher 28.

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Eine aus dem Netz verlangte Leistungszunehme ihrerseits führt zu einer Verringerung der Förderung der Pumpe 30, das bedeutet, daß die an dem Punkt 24 zum Speicher abgeleitete Menge Warmeträgerflüssigkeit abnimmt, und die Wärmespeicherung folgt dieser Änderung. Die Endphase dieser Betriebsweise entspricht einer Fördermenge Null der Pumpe 30, in welchem Fall die gesamte, von der Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommene Wärme sofort an das Arbeitsfluid zurückerstattet wird. Die Anlage arbeitet dann mit ihrer Nennleistung; eine Speicherung findet nicht statt.

Bei einer zweiten, in Fig. 2 gezeichneten Betriebsweise führen die Regelorgane, wenn die von dem Netz angeforderte Leistung den Nennwert der Anlage überschreitet, die Umkehr der Förderrichtung der Pumpe 30 zum Speicher hin herbei, das Schließen der Ventile 31 und 32 bei öffnung der Ventile 33 und 34 sowie das fortschreitende Schliessen der Ventile in den Anzapfungen der Vorwärmer 6, 7, 8 und 9. Unter diesen Bedingungen entnimmt die Pumpe 30 am Verzweigungspunkt 36 einen Teil der Strömung der Wärmeträgerflüssigkeit und bringt sie durch die Ventile 33 und 34 zu dem Speicher, wo sie Wärme entnimmt, bevor sie in den Kreis der Pumpe 25 zurückgeführt wird. Es findet eine Rücklieferung der gespeicherten Wärmeenergie statt.

Jede aus dem Netz angeforderte, über die Nennleistung hinausgehende Zunahme der Leistung führt somit zu einem Anwachsen der Förderleistung der Pumpe 30 und folglich zur Rücklieferung der gespeicherten Energie. Im Endzustand dieser Betriebsweise erreicht die Förderleistung der Pumpe 30 einen Maximalwert, der der Förderleistung der Pumpe 25 gleich ist, wobei die durch Anzapfungen gespeisten Vorwärmer nun vollständig geschlossen sind. Die Anlage liefert unter diesen Umständen ihre maximale Leistung.

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Der Übergang von einer Betriebsweise zu der anderen erfolgt in beiden Richtungen, ohne daß die Verteilung der Temperaturbereiche in den verschiedenen Elementen der Wärmeanlage ' gestört würden.

Der Speicher wird, wie in dem genannten Patent angegeben, im allgemeinen aus hitzetfeständigem Material hergestellt, aber die feste Verkleidung kann in bestimmten Fällen vorteilhafterweise durch ein Volumen Wärmeträgerflüssigkeit ersetzt werden.

Gemäß Fig. 3 wird die Erfindung bei einem Wärmekraftwerk, ähnlich dem in Fig. 1 gezeichneten, angewandt, wobei der Speicher und der Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit ausserhalb des das Kraftwerk ums chi ie s senden Raums angeordnet sind. IrvGiesem Fall erfolgt der Wärmeaustausch sowohl für die Speicherung als auch für die Rücklieferung mit Hilfe eines einzigen Wärmeaustauschers 39, der für den Weg der Wärmeträgerflüssigkeit ein einziges Rohrbündel 38 und für den Kreislauf des thermodynamisehen Fluids des Kraftwerks, im vorliegenden Falle des Wassers, zwei getrennte Rohrbündel 40 und 41 aufweist.

Eine Pumpe 51, deren zum Speicher hin gerichtete Förderung umgekehrt werden kann, bewirkt die Zirkulation des Wärmeträgerfluids durch das Wärmetauscherrohrbündel 38 und den Speicher 29.

Der Wasserkreislauf des Rohrbündels 40 zeigt, von dem oberhalb des Anzapfungsvorwärmers 7 gelegenen Verzweigungspunkt 43 aus eine Gruppe von zwei Pumpen 49 und 50, die beim Speicher- oder beim Rücklieferungsbetrieb durch einen Satz zugeordneter Ventile 47 und 48 eingeschaltet werden, einen Verz'eigungspunkt 8, von dem aus der Kreislauf geschlossen

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wird, einerseits durch die Pumpe 5 8 und den Zwischenüberhitzerwärmeaustauscher 15 am Anschlußpunkt A und andererseits während der Speicherperiode durch das Ventil 45 und den Wärmeaustauscher Wasser/Frischdampf 44 am Verzweigung spunkt 42 unterhalb des Anzapfungsvorwärmers 6.

Ausgehend von dem Mischer 5 2 zwischen der Speisepumpe 22 und dem Anzapfungsvorwärmer 9 wird der Kreis des Röhrenbündels 41 entweder, während der Speicherungsperiode, über das Ventil 5 3 und die Pumpe 54 zu dem Verzweigungspunkt 5 5 hin, der sich unterhalb.des Vorwärmers 9 befindet, oder während der Rücklieferungsperiode über das Ventil 56 und die Pumpe 57 zu dem Verzweigungspunkt 5 8 zwischen dem Anzapfungsvorwärmer 9 und 10 geschlossen; die Ventile 5 3 und 5 6 arbeiten gemeinsam.

Von einem Entnahmepunkt 60 aus wird der Kreis des Frischdampfrohrbündels des Wärmeaustauschers 44 über eine Pumpe 59 an den Anschlußpunkt 61 geführt.

In einer ersten Betriebsweise dieser Anlage sind die Ventile 46, 45, 48 und 53 offen und die Ventile 47 und 56 geschlossen. Die Strömungsrichtung des Fluidkreislaufs wird durch die ausgezogen gezeichneten Pfeile dargestellt.

Das am Punkt 42 entnommene Speisewasser wird durch die Wärme vorgewärmt, die von dem Frischdampf in dem Austauscher 44 abgegeben wird. Am Verzweigungspunkt 8 wird ein Teil dieser Wasserströmung von der Pumpe 58 aufgenommen und in den Zwischenüberhitzerwärmeaustauscher 15 gedrückt; der andere Teil läuft in dem Rohrbündel 40 des Wärmetauschers 3 9 um, in dem die Wasserströmung Wärme auf den flüssigen Wärmeträger überführt. Am Ausgang des Röhrenbündels 40 wird das Wasser von der Pumpe 50 in Richtung auf die Hauptleitung (Hauptwasserleitung) am Anschluß-

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punkt 43 gedrückt.

Die am Mischer 5 2 abgezogene Wasser/Dampf-Mischung gibt Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit in dem Rohrbündel 41 des Wärmetauschers 38 ab und wird von der Pumpe 54 in Richtung auf die Hauptwasserleitung am Anschlußpunkt 55 gedrückt.

Die Pumpe 51 sorgt für den Umlauf der Wärmeträgerflüssigkeit in Richtung der ausgezogen gezeichneten Pfeile durch den Speicher 29, in dem er die Wärme verliert, die er während seines Durchgangs durch den Austauscher 39 aufgenommen hat.

Bei dieser Betriebsweise produziert die Anlage gleichzeitig elektrische Energie und einen Wärmevorrat. Die abgegebene elektrische Leistung liegt unterhalb der Nennleistung. Wie schon oben beschrieben, wird die Förderleistung der Pumpen 51, 50, 54, 58 und 5 9 durch Einrichtungen gesteuert, die die Leistungsanforderung des Netzes und die Speisewassertemperatur des Dampferzeugers überwachen.

Wenn die Leistungsanforderung des Netzes über den Nennwert der Anlage hinausreicht, stellen die Regeleinrichtungen den Übergang in die Betriebsweise "Rücklieferung"; bei dieser Betriebsweise sind die Ventile 46 und 45 im Bereich des Wärmeaustauschers 44, sowie die Ventile 4 8 und 5 3 oberhalb der Pumpen 50 und 54 geschlossen, während die in Strömungsrichtung unterhalb der Pumpen 49 und 57 gelegenen Ventile und 5 6 geöffnet sind. Die Förderrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit in dem Speicher wird umgekehrt. Die Förderrichtungen in den Leitungen sind durch gestrichelte Linien wiedergegeben.

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Das an der Verzweigungsstelle 43 abgenommene Wasser wird von der Pumpe 49 in Richtung auf das Strahlenbündel 40 des Wärmeaustauschers in Bewegung gesetzt, wo die Wärmeträgerflüssigkeit ihm Wärme entzieht, und dieses erwärmte Wasser wird in den Zwischenüberhitzungswärmeaustauscher 15 geleitet, wo es sich mit der Hauptwasserleitung am Anschlußpunkt A sammelt. Die Pumpe 5 7 nimmt an der. Stelle 58 der Hauptwasser leitung Wasser auf und fördert es durch das Rohrbündel 41 des Wärmeaustauschers 39, wo es sich wieder aufwärmt, hindurch in Richtung auf den Mischer 52. Dadurch wird die gespeicherte Wärmeenergie zurückgeliefert·

Bei dieser Betriebsweise wird ausserdem die Förderleistung der Pumpen 51, 49, 57 und 5 8 durch Steuervorrichtungen nach Maßgabe der von dem Netz signalisierten Leistungsansprüche überwacht.

Die Fig. 4 zeigt eine Variante der gemäß den Fig. 1 oder angeordneten Anlage; der Speicher ist hierbei unmittelbar an einen Verbraucherkreis angeschlossen.

Zu diesem Zweck wird der einen Teil des thermischen Kraftwerks bildende Wärmespeicher 29 in einen Nebenschluß zwischen zwei Wärmetauscher 62 und 63 geschaltet, in denen die Wärmeträgerflüssigkeit umläuft.

Im Wärmetauscher 62 finden die Speicher- und die Rücklieferungs übergänge von Wärme in der schon beschriebenen Weise statt; parallel dazu kann die Wärmeträgerflüssigkeit Wärme durch den Wärmetauscher 63 an einen Verbraucherkreis 64 abgeben. Regelvorrichtungen steuern den Durchsatz der Wärmeträgerflüssigkeit in den beiden Wärmetauschern.

Eine derartige Anlage kann beispielsweise dazu benutzt

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werden, gleichzeitig elektrischen Energie- und industriellen Wärmebedarf zu decken.

Nach Fig. 5 liefert ein von einem Kernreaktor betriebener Dampferzeuger 71 in den Hochdruckteil 72 einer Turbine gesättigten oder leicht überhitzten Dampf. Die feuchtigkeit sbeladenen Anzapfungen des Teils 72 werden in den Trockner 73 geleitet, wo sie in den flüssigen und den gasförmigen Teil aufgetrennt werden. Der aus dem Trockner 7 3 austretende trockene Dampf läuft dann durch einen Zwischenüberhitzeraustauscher 74, bei dem als Heizflüssigkeit Wasser dient, das am Punkt 7 7 an der Speisewasserleitung des Generators entnommen ist; die Leitung weist sechs Anzapfungsvorwärmer Rl bis R6 und einen Frischdampfvorwärmer R7 auf, auf den später noch zurückzukommen sein wird. Dieses Wasser kehrt bei dem Punkt A in die Wasserleitung zurück, nachdem es den Wärmeaustauscher 74 durchsetzt hat.

Eine weitere, am Punkte 77 abgenommene Wassermenge wird von einem Verzweigungspunkt 77' aus einem Wärmetauscher 7 8 zugeleitet, um dort als warme Flüssigkeit zu arbeiten, und kehrt an dem Punkt 79 zu der Wasserleitung zurück. Ausserdem fließt Wasser, das aus der Wasserleitung entnommen ist und aus dem Misch vorwärmer R¹+ kommt, als warmes Wasser in dem Wärmetauscher 80 und kehrt am Punkt 81 in die Wasserleitung zurück. In den Wärmetauschern 78 und 80 gibt das Wasser seine Wärme an ein Wärmeträgerfluid ab, das einen geschlossenen Kreis durchläuft, in dem ein Behälter 82 liegt. Das am Boden des Behälters 82 von einer Pumpe 83 abgezogene kalte Wärmeträgerfluid durchläuft die Wärmetauscher 80 und 78 im Gegenstrom zum Wasser, und das warme Wärmeträgerfluid kehrt in den oberen Teil des Behälters 82 zurück, der somit einen Wärmespeicher darstellt.

Der aus dem Wärmeaustauscher 74 austretende zwischen-

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überhitzte Dampf wird dem N ie der druck teil 84 'der Turbine zugeleitet, wo er entspannt wird und in den Kondensator 86 gelangt, und das Kondensat kehrt in den Dampfgenerator 71 zurück, nachdem es die Wassergeräte an den Anzapfstellen und den Vorwärmer R7 durchsetzt hat.

Während das Kesselspeise"wasser bei seinem Austritt aus der üblichen Wasserleitung (Rl bis R6) eine Temperatur aufweist, die etwas unter der Temperatur des Sattdampfs im Druckniveau der R6 speisenden Anzapfung liegt (der Unterschied zwischen diesen Temperaturen entspricht demjenigen, der für die Durchführung der thermischen Austauschvorgänge erforderlich ist), bewirkt der zusätzliche Vorwärmer R7, daß die Temperatur dieses Wassers (immer von einem gewissen Unterschied abgesehen) bis in den Bereich der Temperatur des Sattdampfs', der sich auf dem Druckniveau des Dampferzeugers befindet, angehoben wird. Eine Pumpe 85 nimmt die Kondensatmengen des in R7 einge-führten Frischdampfs auf und fördert sie in die Wasserleitung zurück. Die Entnahme von Wärme aus dem Dampferzeuger, die dieser Frischdampf darstellt, wird durch das Speisewasser ausgeglichen und diese Wärme, die in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Generator 1 und dem Vorwärmer R7 und umgekehrt umläuft, ändert weder die Menge des der Anlage zugeführten Dampfes noch dessen Temperatur. Die einzige Wirkung des Vorwärmers R7 besteht darin, die Temperatur des dem Dampferzeuger zufliessenden Wassers zu erhöhen.

Der Vorteil dieser Anordnung erweist sich, wenn die Anlage bei Spitzenlast, d.h. in Perioden arbeitet, in denen die in dem Speicher 82 aufgespeicherte Wärme zurückgeliefert wird, (Die in der Zeichnung durch gestrichelte gezeichnete Pfeile angegebene Strömungsrichtung entsteht

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nur während dieser Perioden).

In Spitzenzeiten, wenn die Turbine die maximal mögliche Leistung abliefern muß, werden alle Anzapfungen, abgesehen von denen für Rl und R2, sowie alle Frischdampfentnahmen geschlossen; der gesamte Frischdampf wird in den Hochdruckteil 72 geleitet; aus der Wasserleitung im Punkt 87 entnommenes Wasser, das praktisch die Temperatur des Kondensators 8 6 hat, läuft durch den Wärmeaustauscher 80, erwärmt sich dort, indem es gespeicherte Wärme durch thermischen Austausch mit dem Wärme träger fluid austauscht; und kehrt in die Wasserleitung, genauer in den Mischvorwärmer RH zurück. Eine weitere Wassermenge, die aus der Wasserleitung im Punkte 79 unmittelbar unterhalb des Vorwärmers RM- entnommen wurde, durchsetzt den Wärmetauscher 78, wird dort ebenfalls erwärmt, indem es die gespeicherte Wärme des Wärmeträgerfluids aufnimmt, trifft am Verzweigungspunkt 77· ein, durchsetzt dann den Zwischenüberhitzungswärmeaustauscher 74 und kehrt im Punkt A in die Wasserleitung zurück, um wieder in den Dampferzeuger 71 zu gelangen. Während dieser Rücklieferungsperioden kann und soll man vorzugsweise dem Speicher 82 die Wärme zuführen, die erforderlich ist, um das dem Dampferzeuger zugeführte Wasser auf die gleiche Temperatur zu bringen wie während der Niederlastzeiten, d.h. auf die Speisewassertemperatur, die sich am Ausgang des FrischdampfVorwärmers R7 ergibt, wenn d ieser in Betrieb ist.

Das Inbetriebnehmen des Vorwärmers R7 während der Niederlastzeiten ermöglicht somit einen viel grösseren Strom an zurückgelieferter Wärme während der Spitzenlastzeiten und erlaubt einerseits eine Erhöhung der Spitzenleistung und andererseits in Niederlastzeiten das Speichern einer viel grösseren, aus der die Basis bildenden Wärmequelle her-

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rührenden Wärmemenge, wodurch die BetriebsSchwankungen dieser Quelle verringert oder beseitigt werden, wobei eine solche Möglichkeit besonders dann interessant ist, wenn es sich um einen Kernreaktor handelt.

Gemäß Fig. 6 speist ein Dampferzeuger 91 den Hochdruckteil 92 einer Dampfturbine mit gesättigtem oder geringfügig überhitztem Dampf. Die Abdampfmengen des Hochdruckteils werden, nachdem sie mit Feuchtigkeit beladen sind, in einen Trockner-Zwischenüberhitzer 9 3 geleitet, in dem die Trocknung in an sich bekannter^ Weise durch Phasentrennung hervorgebracht werden. Eine Scheidewand 9 4 unterteilt den Korpus des Geräts 9 3 in zwei Abschnitte 95 und 9 6. Der feuchte Dampf tritt in das untere Abteil 95 ein, durchsetzt die Scheidewand, die seine Feuchtigkeit auffängt, und überstreicht in dem oberen Abteil 9 6 ein Bündel Zwischenüberhitzerrohre, in denen als warmes Fluid am Dampferzeuger 91 im Punkt 9 7 entnommener Frischdampf zirkuliert. Die aus dem Zwischenüberhitzerrohrbündel austretende Menge wird der Wasserstation an den Anzapfungen zugeleitet, genauer gesagt, dem Vorwärmer 98, der am weitesten stromab in der Speisewasserleitung für den Generator liegt.

Der aus dem Abteil 9 6 auftretende, zwischenüberhitzte Dampf,wird dem Niederdruckteil 99 der Turbine zugeleitet, um seinen Kreislauf der Entspannung, Kondensation, Wiedererwärmung und Rückkehr zum Dampferzeuger, wie an sich bekannt , au sz ufü hren.

Das in dem Abteil 95 des Geräts 93 enthaltene Wasser wird durch eine Extraktionspumpe 100 abgesaugt, die das Wasser zu einem Verzweigungspunkt leitet, der von einem Zweiwegeventil gesteuert wird und von dem aus das Wasser in einen Mischungsvorwärmer 102 der Anzapfleitung der Turbine

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geleitet wird, oder als kaltes Fluid in Umlauf in einen Wärmeaustauscher 103 gebracht wird, der auf Verlangen durch eine Leitung 10¹+ mit warmem Wärme träger fluid gespeist wird, das seinerseits Wärme aus eira? Speicherund Rücklieferungsanlage der oben beschriebenen Art entnimmt. Diese schon beschriebene Anlage ist in Fig. nicht noch einmal gezeichnet worden, ausgenommen dessen neuer, dem Wärmeaustauscher 103 zugeordneter Teil. Während der Niederlastzeit speichert diese Anlage die von der Basis-Wärmekraftmaschine erzeugte Wärme in einer die Bedürfnisse des Netzes übersteigenden Menge und die flüssigen Abgänge des Geräts 9 3 werden in die Misch- und Entgasungsapparatur 102 geführt, wie es bei Kraftwerksanlagen üblich ist. Demgegenüber werden erfindungsgemäß während der Niederlastzeiten diese flüssigen Abgänge in den Wärmeaustauscher 103 geleitet, wo sie in Dampf verwandelt werden, der durch die Leitung 106 in den Trockner und Überhitzer 9 geführt wird. Auf diese Weise erhält man zusätzlichen Niederdruckdampf auf Kosten der in der Niederlastzeit gespeicherten Wärme, was zur Folge hat, daß einerseits die dem Netz zur Verfügung stellbare maximale Leistung erhöht wird und andererseits die Menge der speicherbaren Wärme erhöht wird, welche Menge im Gleichgewichtszustand die Mengen nicht überschreiten kann, die zurückgeliefert wird.

Um ein Zahlenbeispiel aus der Praxis zu geben: die flüssigen Abgänge des Separator-Zwischenüberhitzers können ungefähr 7 % der Niederdruckdampfmenge ausmachen, die in der Spitzenlastzeit dem Teil 9 9 der Turbine zugeführt werden.

Mit den beschriebenen Maßnahmen können bei mittleren Belastungen die abfliessenden Wassermengen auch auf die Geräte 102 und 103 aufgeteilt werden.

Patentansprüche:

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Claims

P a t entansprüche

Verfahren zum Anpassen einer Wärmekraftanlage an e.in Netz mit wechselndem Leistungsbedarf, mit einer Wärmequelle, einem Dampferzeuger, mindestens einer Dampfturbine und einem Speicher, der in der Lage ist, durch Übertragung mittels eines Fluids Wärme aus der Anlage abzuziehen, sie zu speichern und sie zurückzuliefern, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Wärme zwischen der Anlage und dem Speicher mit Hilfe einer Wärmeträgerflüssigkeit erfolgt, die in wärmeaustauschender Beziehung mit dem Dampf steht, von dem zumindest ein Teil in einer Turbine eine mechanische Arbeit geleistet hat.

2,- Wärmekraftanlage zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Wärmequelle, einem Dampferzeuger und mindestens einer Dampfturbine in Verbindung mit einem Speicher, der fühlbare Wärme mit einem Strom einer Wärmeträgerflüssigkeit auszutauschen vermag, gekennzeichnet durch umsteuerbare Einrichtungen z.um. Umwälzen der Wärmeträgerflüssigkeit in wärmeauStauschender Beziehung zu dem Dampf derart, daß sich Entnahme und Rücklieferung der Wärme in praktisch gleichhohen Temperaturbereichen vollziehen.

3, Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Speicherungsübergänge in den genannten Speicher in einer Mehrzahl von DampfWärmeaustauschern stattfinden, die in einer Folge von gestaffelten Temperaturstufen arbeiten, die zwischen der Temperatur des Dampferzeugerausgangs und der Temperatur am Ausgang einer Anzapfung liegen.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeaustauseher einen Austauscher mit Frischdampf und eine Vorwärmerkaskade aufweisen, die von Hochdruckanzapfungen und mindestens einer Niederdruckanzapfung gespeist werden.

5, Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklieferungswärmeaustauscher einen Dampfzwischenüberhitzer vor der Niederdruckstufe aufweisen, sowie einen Dampfkesselspeise was servorwärmer zwischen dem Kondensatorausgang und der Wiedereinführung in den Dampferzeuger.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des Wärmeträgerfluids durch die Wärmeaustauscher, die Vorwärmer und den Speicher durch zwei Pumpen mit verbundenen Kreisläufen vorgenommen wird.

7* Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei verbundenen, im Nebenschluß zueinander angeordneten Kreisläufen der erste eine erste Pumpe aufweist,

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die in nicht umkehrbarer Richtung in den Dampfzwischenüberhitzer, den Speisewasservorwärmer, in Anzapfvorwärmer und den Frischdampfwärmeaustauscher fördert, und daß die zweite die Speicherung eine weitere Pumpe , sowie Mittel für die Richtungsumsteuerung der Förderung in den Speicher aufweist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderung der nicht umsteuerbaren Pumpe durch eine an sich bekannte Vorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur des Speisewassers am Eingang des Speisewasservorwärmers gesteuert wird.

9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderung der genannten weiteren Pumpe nach Maßgabe der Leistungsanforderung aus dem Netz mit Hilfe einer Regelungsvorrichtung reguliert wird, die einer Vorrichtung untergeordnet ist, die die angeforderte Leistung definiert, insbesondere den Geschwindigkeitsregler der Turbine.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß die genannte weitere Pumpe während der Speicherungsperiode in gleicher Richtung fördert wie die nicht umsteuerbare Pumpe,

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die von dem Netz angeforderte Leistung die Leistung

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der Wärmequelle übersteigt, mit Hilfe einer Gruppe von in dem Kreislauf der Wärmequelle angeordneten Ventilen, der an sich bekannten Regelvorrichtung und eines Satzes von Ventilen, die in den die Vorwärmer speisenden Anzapfleitungen liegen, die Umlaufrichtung in der genannten weiteren Pumpe umgekehrt wird und die Fördermenge zwischen einem Wert Null und einem Maximalwert geregelt wird, der gleich der Förderung der nicht umsteuerbaren Pumpe ist.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung des Speichers aus der Wärmeträgerflüssigkeit besteht.

13, Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Anlage durch Regelung der Fördermenge des Wärmeträgerfluids kontinuierlich auf Werte zwischen 50 und 100 % der Nennleistung modulierbar ist.

. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher und die Leitungen für das Wärmeträgerfluid ausserhalb der Wärmekraftanlage angeordnet sind.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Speicherwärme und von Rücklieferungswärme mittels eines Zwischenwärmeaustauschers erfolgen, der sich ausserhalb der Wärmekraftanlage befindet.

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16. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Wärmeträgerfluids zwei in einem Nebenschluß zu dem Speicher angeordnete Wärmeaustauscher aufweist, von denen der eine die Obertragung von Speicherwärme und von Rücklieferungswärme gegenüber der Wärmequelle besorgt, während der andere einen Verbrauchskreislauf, beispielsweise eine industrielle Heizanlage, speist»

17. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 16, d₄adurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hälfte des in Beziehung zu der Wärmeträgerflüssigkeit gebrachten Dampfes mechanische Arbeit in einer Turbine geleistet hat.

18, Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Vorwärmer für das Dampferzeugerspeisewasser, der den von dem Dampferzeuger gelieferten Frischdampf als Erhitzungsflu£d benutzt.

19. Anlage nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine zur. Wärmespeicherung bestimmte Einrichtung, die nach Bedarf Wärme zu speichern vermag, die von der die Grundlage der Anlage bildenden Wärmequelle herrührt, und nach Bedarf die gespeicherte Wärme in den Dampfkreislauf zurückliefert.

20. Verfahren jaur Benützung einer Anlage nach Anspruch 19,

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mit dem ein Netz mit wechelndem Leistungsbedarf bedient wird, dadurch gekennzeichnet! daß das Einschalten des mit Frischdampf arbeitenden Wasservorwärmers auf Perioden mit geringem Leistungsbedarf beschränkt wird.

21, Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß während Perioden hohen Leistungsbedarfs und des Abschaltens des mit Frischdampf arbeitenden Vorwärmers dem Dampfkreislauf gespeicherte Wärme in dem Umfang zurückgeliefert wird, der zur Erlangung einer Wasserzutrittstemperatur am Dampferzeuger ausreicht, die höher liegt als die Wassertemperatur am Eingang des genannten Vorwärmers, wenn dieser in Betrieb ist, erforderlich ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzutrittstemperatur am Dampferzeuger praktisch gleich der Wassertemperatur am Ausgang des genannten Vor wärmers ist, wenn dieser in Betrieb ist.

23. Wärmekraftanlage mit Dampfkreislauf, mit Dampferzeuger und Entspannungsmaschine, gekennzeichnet durch einen Vorwärmer für das Dampferzeugerspeisewasser, der aus dem Dampferzeuger kommenden Frischdampf als Erhitzungsfluid verwendet und in Strömungsrichtung unterhalb eines Wassergeräts der Anzapfungen liegt.

24. Verfahren zur Benützung einer Anlage nach Anspruch 23, die ein Netz mit wechselndem Leistungsbedarf bedient,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Wasseranschluß und der mit Frischdampf arbeitende Vorwärmer in Perioden mit geringem Leistungsbedarf eingeschaltet wird, wobei die von der die Grundlage der Anlage bildenden Wärmequelle herrührenden Wärme gespeichert wird, und daß dem Dampfkreislauf in Perioden hohen Leistungsbedarfs derart gespeicherte Wärme in dem Maße zurückgeliefert wird, das zur Aufrechterhaltung einer Temperatur des dem Dampferzeuger zufliessenden Wassers erforderlich ist, die über der Wassertemperatur des Wassergeräts an den Anzapfungen liegt, wenn dieser in Betrieb ist.

25. Im Dampfkreislauf arbeitende Anlage zur Erzeugung von Antriebskraft, mit einem Trockner-Zwischenüberhitzer, der die Aufteilung des teilentspannten Naßdampfs in Flüssigkeit und Trockendampf und dessen Zwischenüberhitzung bewirkt, gekennzeichnet durch einen Austauscher, der zum Verdampfen der flüssigen Abgänge des genannten Geräts eingerichtet ist und dabei Wärme benutzt, die von einem Wärmespeicher herrührt, der von der Wärmequelle der Anlage gespeist wird.

26. Anlage nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch Hilfseinrichtungen, mit denen die Wasserabgänge wahlweise in den genannten Austauscher oder in die Leitunggäführt werden, die Wasser in den Dampferzeuger der Anlage zurückleitet.

27. Anlage nach Anspruch 25 oder 26, gekennzeichnet durch eine Hilfseinrichtung für die Rückleitung des in dem genannten Wärmeaustauscher erzeugten Dampfs in den

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Trockner-Zwischenüberhitzer.

8. Verfahren zur Benützung der Anlage nach Anspruch 26 oder den zusammengefaßten Ansprüchen 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der in Dampf umgewandelten flüssigen Abgänge im gleichen Sinne variiert wird wie die angeforderte Leistung wechselt, wobei gegebenenfalls die Abgänge in Spitzenlastzeiten vollständig verdampft werden und in Niederlastzeiten vollständig in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden.

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