DE2520578A1 - Thermodynamisches verfahren und anlage zur energieerzeugung - Google Patents

Description

ELiCTRICITK DS FRANCE (Service National) ! Therraodynamiseiles Verfahren und Anlage zur E

Die Erfindung betrifft die thermcdynatiisehen Verfahren und Anlagen zur Energieerzeugung, insbesondere solche mit einem sogenannten binären Zyklus, bei welchen einem Zyklus mit überhitztem Wasserdampf ein zweiter, vorgeschalteter Zyklus zugeordnet ist, welcher mit einem Wärmeträger arbeitet, welcher eine höhere Eingangs temperatur als der Wasserdampf zu erreichen gestattet.

Die üblichen Wärmekraftwerke benutzen als einziges Übertragungsmittel V/asser in flüssiger Phaso und in Dampfphase» Die thermodynaini sehen Eigenschaften des Wasser haben -jedoch zur Folge, daß man keinen wirklichen Gewinn an Wirkungsgrad durch Erhöhung der Überhit zungstcEiporatur erhoff en kirn« ΐίυη ermöglichen aber die heute oder in naher Zukui-.fb verfügbaren Wärmequellen., Temperaturen zu erreichen, bei weichen del* theoretische Wirkungsgrad des Zyklus ganz erheblich ho'iior lichte Dis rwöixluns von U&sser als Wäriiieträger g.vatabti-fc jedoclx incbe~

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sondere infolge der bedeuteEden Irreversibilitäten, welche es in dem Fall eines hyperkritisehen Zyklus bedingt, nicht, diesen theoretischen Gewinn auszunutzen. j

Während insbesondere die Kernreaktoren mit leich- ^: tem V/asser und der Folge Graphit-Kohlensäuregas nur sehr mäßige Temperaturen au erreichen gestatteten, ermöglichen die gegenwärtig im Betrieb oder im Entwurf befindlichen Versuchsreaktoren insbesondere die durch Umlauf von geschmolzenem Metall gekühlten, mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren, die mit Gas mit hoher Temperatur arbeitenden Reaktoren, die Reaktoren mit ! geschmolzenem Salz) Temperaturen zu erhalten, welche 850° G er- !reichen oder übersteigen. Das gleiche gilt für die Projekte von (Kesseln mit Rnallgacflamme· In einer weiter entfernten Zukunft j wird, die Kernverschmelzung gestatten, ebenfalls sehr hohe Temperaturen zu erreichen.

In allen diesen Fällen gestattet die Verwendung eines einzigen, Wasserdampf benutzenden Zyklus nicht, die hohen erreichten Temperaturen auszunutzen.

Man hat bereits früher vorgeschlagen, binäre

Zyklen zu benutzen. Man hat insbesondere zu dem Zyklus mit Wasser dampf unter niedrigem Druck einen vorgeschalteten gyklus hinzugefügt, welcher als Wärmeträger Quecksilber benutzt, welches ■ den Vorteil bietet, daß es bei Raumtemperatur flüssig ist- und einen geringen Sättigunssdampfdruck hat. Andererseits besitzt das Quecksilber schwere Nachteile, insbesondere seine Kosten und seine Giftigkeit, v/elche dazu geführt haben, es schnell auf- ; zugeben.

j Kürzlich ist vorgeschlagen worden, einen, binären

Zyklus Kaliun-V/asser zu benutzen, das Kalium besitzt aber schwere Nachteile. Es ist sehr korrosiv, es erfordert einen vorgeschalteten Zyklus mit gesättigtes Wasserdampf v/elcher erhebliche Irreversibilitäten besitzt, und einen sehr geringen und schwer aufrechtzuerhaltenden Absolutdruck an Auspuff der Turbine, um eine normale Ausgangstemperatur an der Turbine zu erhalten.

Schließlich ist eine Anlage zur Energieerzeugung mit einem binären Zyklus nil; einem Kernreaktor mit kochendem Schwefel vorgeschlagen worden (USA-Patentschrift 5 218 802). Der in einer Turbine entspannte Schwefeldsnpf durchströmt einen

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Austauscher zur Überhitzung von Wasserdampf, schlägt sich nieder j und kehrt zu dem Reaktor in flüssiger Phase zurück. Der Schwefel ! gestattet die Benutzung eines vorgeschalteten Zyklus, bei welchem er aus der flüssigen Phase auf die Phase eines gesättigten Dampfs am Eingang der Turbine gebracht wird, was eine Ver- ^! ringerung der Irreversibilität ergibt. Infolge der ganz besonderen Eigenschaften des Schwefels befindet sich der Dampf am Auspuff im Uberhitzungszustand, v/as eine Verringerung der Irrejversibilitäten in dem Austauscher zur Überhitzung des Wasserdampfs ermöglicht. Die Temperatur und insbesondere der Druck am Ausgang der Schwefeldampfturbine sind mit der gegenwärtig verfügbaren Technologie verträglich. Schließlich hat der Schwefel eine erheblich geringere Reaktivität als das Kalium· Seine Kosten sind gering und mit denen des Quecksilbers nicht vergleichbar. Er ist nicht giftig.

j Unglücklicherweise hat der Schwefel bei den in dem

Zyklus erreichten Temperaturen eine schädliche ¥/irkung auf das Nickel, was sich in einem Angriff der einen starken Nickelanteil enthaltenden Austenitstähle auswirkt. Infolgedessen müssen diese Stähle bei der Herstellung der mit dem Schwefel in Berührung stehenden Teile ausgeschieden weiden. Von etwa 550° 0 an widerstehen nun die schwach mit Gr - Mo legierten Stähle schlecht dem Fließen. Die Cr, Mn odex* Mo enthaltenden und gegebenenfalls oberflächlich behandelten Ferritstähle haben ihrerseits auf lange Sicht eine Widerstandsfähigkeit gegen das Fließen bei mehr als 700° C, welche nicht gestattet, aus ihnen Austauschrohre herzustellen, welche einem 20 Bar übersteigenden Differentialdruck ausgesetzt sind. Infolgedessen macht die USA-Patentschrift 3 218 802 dem Fachmann keinerlei Angabe, 'welche diesem eine Übertragung auf eine einen fossilen Brennstoff benutzende Anlage ermöglicht. Ferner hat der Schwefel solche neutronischen und thermischen Eigenschaften, daß die Verwirklichung eines Kernreaktors mit kochendem Schwefel weniger zweifelhaft scheint.

Die Erfindung bezweckt insbesondere die Angabe eines thermodynamischen Verfahrens zur Energieerzeugung mit binärem Zyklus, welches besser als bisher den Erfordernissen der Praxis entspricht, indem es insbesondere das obige Problem in " Fortfall bringt. Hierfür schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei welchem eine Wärmequelle zur Verdampfung des Schwefels

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; benutzt wird, v/elcher in einer Turbine entspannt und durch ι Mittel zum Wärmeaustausch mit dem V/asser niedergeschlagen v/ird, i bevor er zu der Wärmequelle zurückgeführt v/ird, wobei das Vfesi ser in g asf örmiger Phase in einer mit einem Kondensator ver-ί sehenen Turbine entspannt wird, wobei dieses Verfahren dadurch ; gekennzeichnet ist, daß die Verdampfungswärme dem Schwefel mit- ; tels eines primären. Wärmeträgers unter einem Druck der gleichen '■ Größenordnung wie der des verdampften Schwefels zugeführt wird. : ; Die Erfindung schlägt auch eine thermodynaniische

' Anlage zur Energieerzeugung zur Ausübung des obigen Verfahrens ; vor, welche eine Wärmequelle, eine erste Schleife,- welche von • dem Schwefel durchströmt wird und Mittel aufweist, welche die " Wärme \^ron der Wärmequelle zur Überführung des Schwefels in den ! Zustand von gesättigtem Dampf empfangen, eine Entspannungstur-I bine und einen Wärme austauscher, in welchem der Schwefel wieder j in den Zustand der flüssigen Phase zurückkehrt, sowie eine zwei-I te Schleife enthält, welche von dem V/asser in flüssiger Phase . und in Dampfphase durchströmt wird und unter Ausgang von dem I Wärmeaustauscher Mittel zur Entspannung und zur Kondensation : aurweist, von v/o das V/asser zu dem Austauscher zurückgeführt I wird, wobei die Mittel zum Wärmeaustausch zwischen dem Schwefel und der Wärmequelle einen praktisch mit Gleichdruck arbeitenden Austauscher zum Austausch zwischen dem primären Wärmeträger der Wärmequelle und dem Schwefel aufweisen.

Der Zyklus mit Wasserdampf wird zweckmäßig mit Verdampfung und Überhitzung in dem Austauscher, hierauf mit Nachüberhitzung in dem Austauscher und mit Dampf abzapf ungen vorj gesehen. Der Zyklus mit Schwefeldampf benutzt ebenfalls Wiedererwärmungen und/oder Abzapfungen, derart, daß die Irreversibilitäten verringert v/erden. Infolge der ganz besonderen Eigenschaften des Schwefels hat man nacheinander für eine Temperatur der Wärmequelle, welche gestattet, den Schwefel auf etwa 750 bis 8Q0° C zu bringen, übersättigten Dampf mit einem Druck von größenordnungsmäßig 25 bis 30 Bar, welcher der Dampfturbine zugeführt wird, wo eine isentropische Entspannung des Schwefeldampfs erfolgt, und hierauf am Auspuff der Turbine überhitzten Schwefeldampf, welcher zur Überhitzung und Nachüberhitzung des Wasserdampf s des zv/eiten Zyklus benutzt werden kann. Schließlich ermöglicht der nicht mehr überhitzte Schwefeldampf die Ver-

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j dämpfung des Wasserdampfs des zweiten Zyklus. Man. kann cc hcffen, ■ einen Wirkungsgrad des RankineZyklus von größüncrdmmc^näßi^ •65 % zu erreichen, weIcher in der Praxis unter Berücksichtigung ¹ des organischen Wirkungsgrads des Kessele einen Gesaratv.irkttngs·· grad von größenardmmgaicäßiG 60 % ermöglichen muß·

Der Typ des Austauschers zvia tVärme austausch zv/i-· ' sehen der V.'ärnequello und dem Schwefel hängt natürlich von der Art der Wäraequelle ab· Wenn, es sich um einen Kernreaktor hanj delt, wird der Austauscher einerseits von dem Kühlmittel des Reaktors und andererseits von dem Schwefel durchflossen. Hierzu ist zu bemerken, daß der Schwefel, da er praktisch für Natrium und V/asser indifferent ist, eine zusätzliche Sicherheit für mit geschmolzenem Natrium gekühlte Reaktoren bietet, indem er die Aufgabe einer Trennung zwischen dem Natrium und dem V/asser erfüllt. Wenn es sich um einen Kessel handelt, muß die Luft in diesen unter den Gleichgev.lchtsdruck eingeführt werden, was durchaus möglich ist, da die Sctuvefeldanipfdrücke mäßig sind \ (20 bis 25 Bar).

ι Um diesen Luftdruck auszuhalten, kann, übrigens

j der Mantel des Kessels durch Spannbeton gebildet v/erden, v/as j den Fortfall des gröbsten Toils des Gerippes der üblichon Kessel, an reichem die Austauschrohre angehängt sind, und des Fließ-· j problems der Gerippostähle ermöglicht.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispiolshalbor erläutert. j Pig. 1 ist ein Prinzipschema einer Anlage mit

einem binären Zyklus Schwefel-Wasser, welche einen durch einen ! Umlauf von geschmolzenem Natrium gekühlten Kernreaktor als Vdriao- : quelle benutzt.

Fig. 2 zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 1 j eine Anlege, in welcher die Wärmequelle durch einen Kessel für ! fossilen Bi'onnstoff gebildet wird.

\ Fig. 3 zeigt eine dem Schema der Fig. 2 entsprechende Anlage genauer·

Pig· 4 und 5 sind Emzalhciton von zv/ci durch zusätzlich:-' LuftvorvÄirmer vorvollständigtetiTeilender Anlage der

Fig. 5.

l?il> 6 se igt sehr ncJieaati-jcli eiiio liiöi^iobG Ausbildung der V/ai:cl doo Kessels der Äixlcz^ der IMs* 5·

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Die in Fig. 1 dargestellte Aalage enthält einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen, v/elcher- durch einen Umlauf , eines geschmolzenen. Alkalinetails unter einem dem Atmospliärendruck naheliegenden Druck gekühlt v/ird (im allgemeinen Natrium).

Dieser Reaktor 10 ist einem Austauscher 11 zum ; V/ämoaustausch zwischen den primären Kühlmittel des Reaktors,

in welches bei einem Hüllenbruch von -Brennstoffe lenient en Spaltj produkte übergehen können, und einem sekundären, ebenfalls durch I geschmolzenes Natrium gebildeten Kühlmittel zugeordnet. Der Reaktor 10 und der Austauscher 11 sind in einem Schutzmantel 12 eingeschlossen. Das das primäre Kühlmittel bildende Natrium hat j z.B. eine Austrittstemperatur von. 850° G und einen Äbsolutdruok von größenordnungsraäßig 1 Bar« Das das sekundäre Kühlmittel bildende Natrium hat 2.B. eine Austrittstemperatur von 820° G und einen Absolutdruck von 25 BaTj welcher durch einen Druckregler j 13 mit Stickstoff atmosphäre aufrechterhalten v/ird, welcher auch ein Ausdehnungsgefäß bildet.

Dio durch ö.en Sealrfc or 10 und den Austauscher 11 gebildete Anordnung bildet die Wärme cue lie. Die von dem sekundären Kühlmittel durchströmte Schleif» enthält einen Wärmeaustauscher Natrium-Schwefel 14 und eine Pumpe 15» welche das aus dem Austauscher 14· austretende lTat?/rua an den Eingang des Austauscher s 11 zurückführt*

Wie oben angegeben, können die mit dem. Schwefel in Berührung stehenden Y/ärmeaustauschrohre nicht aus einer Legierung hergestellt werden, welche Nickel enthält_s welches unter kontinuierlicher Erzeugung von Nickelsulfid angegriffen wird. Infolgedessen können die Höhre des Austauschers 14 nicht mit Hilfe von Nicke !stählen hergestellt v/erden, welche laufend benutzt worden, r/o im hohe DruckbeanspruchimgGii bei 550 G übersteigenden Temperaturen ausgeholten v/erden nüssen. Diese Druck« beanspruchungen wenden nun in dem Fall des Schemas dor Fig. 1 beträchtlich dadurch herabgesetzt, daß dem Zv/ischenaustausühsr 11, welcher auf alle Pällo erforderlich ist", die Funktion, einer Druckerliöhung 7Airet3i.lt v/ird. Diener Austauecher, v/elcher nicht mit dfu,t liatriun in Bei^vähvimg stellt, kann aus Austonitataiil mit einer) starken JlJckelanteii hergoEtellt und ao vorgesehen werden, daß er dem Fließen unter eirica Dro?-k von der gleichen Gröponö wie der in den νου. den Sclivofel durchströmten. Rohren do£

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Austauschers 14 herrschenden widersteht. Infolg ede die! Austauscher 14 dann ein Gleichdruckaustsu scher und kann aus z.B. Chron, Molybdän und Mangan enthaltenden Ferr.itstählen hergestellt werden. Zur weiteren Erhöhung ihrer WiderstandsfUhifftsit gegen eine Korrosion durch Schwefel können diese iibähle eine Oberflächenbehandlung durch Zementieren mit Chrom, eine Chrom-Alaöinisierung oder ein anderes bekanntes Verfahren erfahren. Schließlich können zusammengesetzte stranggepresste Rohre mit einer dem Fließen widerstehenden Seele zwischen zwei korrosionsfesten Schichten benutzt v/erden.

Die von dem Schwefel durchströmte Schleife enthält strömungsabwärts von dem Austauscher 14 eine Schwefeldanipfturbine 16, welche mehrstufig sein kann. Die mit dem Schwefeldampf mit hoher Temperatur und hohem Druck in Berührung stehenden Teile der Turbine müssen natürlich aus einem Material sein, welches gleichzeitig der Korrosion und dem Fließen widersteht, die Verwendung von teuren Legierungen ist hier jedoch im Gegensatz zu den Austauschen infolge der Verschiedenheiten der in Betracht kommenden Massen möglich. Insbesondere kann die Verwendung von bev/eglichen Schaufeln aus Titan- oder Niobiumlegierung für den Hochdruckkörper in Betracht gezogen werden.

Die Vorrichtungen zur Abdichtung zwischen der

Welle und den festen Teilen der Turbine können durch ringförmige Kammern mit Mitteln gebildet werden, welche die Temperatur des die Kammern erfüllenden Schwefels zwischen 170° G und 200° C halten. Bei dieser Temperatur besitzt nämlich der flüssige Schwefel eine erheblich höhere Viskosität als bei einer niedrigeren oder höheren Temperatur.

Der aus der Turbine austretende Schwefeldampf

wird einem Austauscher 17 Schwefel-Wasser zugeführt, aus welchem der Schwefel in flüssiger Phase austritt-, um in den Austauscher Schwefel-Natrium 14 zurückgeführt zu werden.

Die Schleife ist zweckmäßig so vorgesehen, daß der-Schwefeldampf am Einlaß der Turbine 16 gesättigt und am Auslaß überhitzt ist, so daß in dem (einen Dampferzeuger bilden- " den) Austauscher 17 eine Überhitzung des Wasserdampfs durch den überhitzten Schwefel und eine Verdampfung des Wassers durch Niederschlagung des Schwefels auftritt. Man kann insbesondere" 750° C und einen Absolut druck von 24 Bar am Eingang der Turbine

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16 und 475 C und einen Absolutdruck von 0,16 Bar am Ausgang i vorsehen.

j Die zweite Schleife ist sehr ähnlich wie die der I

j bekannten Anlagen für hyperkritischen Wasserdampf ausgebildet, j j mit Ausnahme der Ausbildung des Dampferzeugers und gegebenenfalls ¹ der Speisung der N_achüberhitzer.

j Diese Schleife enthält eine Turbine 18 mit

ι mehreren Körpern mit einem Kondensator, aus welchem das kondenj sierte Wasser zu dem Austauscher 17 durch Speisepumpen 20 zui rückgeschickt wird. Die Turbinen treiben einen oder mehrere j WechseIstromerzeuger 21 an, je nach der Zahl der Wellenlinien. Man hat z.B. 530° C und 110 Bar am Eingang der Turbine (nach Durchgang durch durch Anzapfungen gespeiste Überhitzer) und 25° C an dem Kondensator.

Man erhält so eine Anlage, welche für eine Kapitalsanlage, welche mit der der hyperkritischen Kraftwerke mit einem einzigen Zyklus, v/elcher einen eine Temperatur von 750° G und mehr liefernden Reaktor benutzt, vergleichbar ist, sehr hohe, 65 % übersteigende Rankine-Wirkungsgrade zu erreichen gestattet. Ferner bildet dci" Zusatz einer das Natrium und das Wasser trennenden Schwefelschleife eine zusätzliche Sicherheit. Die schematisch in Fig. 2 dargestellte Anlage (in welcher die Teilen der Fig. 1 entsprechenden Teile das gleiche Bezugszeichen tragen.) benutzt als Wärmequelle die Verbrennungsgase eines fossilen Brennstoffs, z.B. Kohle, welche immer mehr an die Stelle der Erdölprodukte tritt· j

Die Ausbildung der von dem Wasser durchströmten Schleife ist vollständig mit der in Fig. 1 dargestellten vergleichbar und ist nicht beschrieben. Die vorgeschaltete Schleife enthält ein Austauscherbündel 14 Verbrennungsgase-Schwefel, welches einen Schwefeldampf er zeuger bildet und praktisch mit Gleichdruck arbeiten muß. Der die Austauscher öhre durchströmende Schwefeldampf muß jedoch einen geringen Überdruck haben, um den Eintritt von Luft bei einem Rohrbruch zu verhindern.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, wird die Luft dem Kessel 22 unter Druck mit einer Strömungsmenge zugeführt, welche einem geringen Luftüberschuß gegenüber der stöchiometrisehen Verbrennung entsprechen kann. Die aus dem Kessel mit hoher Temperatur austretenden Verbrennungsgase werden einer oder mehreren

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; Gasturbinen zugeführt, bevor sie in einen Austauscher 25 zur j Vorwärmung der Zufuhr luft gelangen. Diese Turbine, in v/elcher i sich die Gase entspannen und z.B. von 750° C- auf 200° C über- ; gehen, ermöglicht die sehr erhebliche Verringerung dor Abraes- ! sungen des Luftvorwärmers 25» aus welchem die Gase z.B., mit j 130 G in den Kamin austreten.

Die von außen mit z.B. 15° C angesaugte Luft wird durch einen mehrstufigen Verdichter 24 mit Kühlung zwischen den Stufen verdichtet, wobei dieser Verdichter durch die Gasturbine 23 angetrieben werden kann. Der Leistungsübersohuß derselben wird einem mit der Welle der Turbine gekuppelten V/echselstrom-• erzeuger 26 geliefert. Das aus dem Verdichter austretende Gas : v/ird durch den Vorwärmer 25 auf den Gleichgewichtsdruck (z.B. j 24 Bar) und auf eine Temperatur gebracht, welche in dem oben j betrachteten Fall etwa 180° G betragen kann.

■ In den sehr vereinfachten Schemen der Fig. 1 und

; 2 sind nur die Hauptbestandteile der- Anlage unter Ausschluß I aller Zubehörteile, insbesondere zur Verringerung der Irrever-

j sibilitäten und somit zur Vergrößerung des Gosamtwirkungsgrades j der Anlage, angegebe-n»

j Fig. 3 zeigt eine dem vereinfachten Schema der

: Fig. 2 entsprechende» Anlage genauer. Auch hier kann natürlich jeder Bauteil in Wirklichkeit durch mehrere getrennte einander zugeordnete Einheiten gebildet werden.

In Fig. 3 sind zur Vereinfachung die Teilen der t Fig. 2 entsprechenden Teile mit dem gleichen Besugszeichcn be-. zeichnet, während die Kauptströniungsicreise für Luft und Abgase, : Wasser und Schwefel durch einen Doppelstrich bzw. durch einen

dicken Strich bzv/. durch einen dünnen Strich dargestellt sind. j Die von geringen Strömungsmenge η durchströmten Kreise (insbe- ! sondere .Anzapfungen) sind gestrichelt dargestellt.

Der Schwefelkreis enthält unter Ausgang von dem

Ballon 27 des Kessels 22 eine Turbine 28 für hoha Temperatur ( und hohen Druck, deren Auslaß ohne Zv/ischenvorwärinung eine j Turbine 29 mit doppeltem Körper fib? mittlere Temperatur.· speist, j Die Auslässe der Turbine 29 kehren zu dein Austauscher 14 Schwei fel-Wcr.ner zurück, der sehr ähnlich wie ein üblicher BEliSOir- oder SULZIlHi-Kessel ausgebildet sein kann. In diesem Y.uxviQaustauscher bestreicht der aus der Turbine austretende überhitzte

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Schwefeldampf zunächst; ein Bündel 30 zur Wasserüberhitzung. Der ! nicht mehr überhitzte Schwefel bestreicht dann ein Bündel 31 zur Wasserverdampfung, bevor er aus dem Austauscher in flüssiger Phase austritt. Die üixtraktionspurapen 70 schicken den kondensierten Schwefel vor der Rückkehr zu dem Kessel zu Mischvorwärmern 32, 33» 34, 35, v/elche durch Anzapfungen gespeist werden, wie dies weiter unten erläutert ist. Jedem Vorwärmer zugeordnete Extraktionspumpen bewirken den Umlauf des Schwefels, welchen die letzte Pumpe 36 zu dem Bündel des Kessels zurückschickt.

Bei einer besonderen Ausführungsform kann eine : Schwefelschleife vorgesehen v/erden, in welcher man folgende Temperaturen und Drücke findet:

- am Ausgang des Austauscherbündels des Kessels 22:24 Bar und 750° G (gesättigter Dampf);

j - am Ausgang der Turbine 29 für mittlere Tem.«

j peratur eine !Temperatur von 475 C und einen solchen Druck, daß ; der Schwefel überhitzt ist;

: - am Ausgang des Austauschers 14 eine Tempera-tur

' von 340° C, welche einem Sättigungsdruck von 0,16 Bar entspricht; j - am Eingang des Austauscherbündels des Kessels

j 22 eine Temperatur von größenordnmigsmäßig 700 C. '■ Der im Überhitzungszustand aus den Uber-nitzungs-

bündel JO des Austauschers 14 austretende Wasserdampf gelangt ■ anschliessend in das Austausch er bündel 37 eines Überhitzers 33» ; welcher durch Anzapfung en der Schv.Bfeldacipfturbine 29 für mittlere Temperatur gespeist wird. Der aus dem überhitzer 38 ; abgezogene Schv/efeldampf kommt an den Mischvorwärmer 32 mit

j Q

! einer z.B. größenordnungmäßig 170 G betragenden Temperatur an. Der aus dem Austauscher 37 austretende Wasserdampf v/ird τοπ neuem in dem Bündel 39 eines zweiten Überhitzers 40 überhitzt, welcher diesmal durch eine Anzapfung an der Schwefeldampfturbine 28 für hohe Temperatur gespeist v/ird* Der aus den überhitzer 40 nit z.B. 620° C austretende Schv/öfeldtiEipf wird dem zweiten Überhitzer 33 zugeführt. In diesen Pail v/ex'den die beiden letzten überhitzer 34 und 35 SeB. unmittelbar durch Anzapfungen an dor SchweroldrJipfturbine 28 für hohe Temperatur mit Temperaturen von 670° G bzv/. 720° C gespeist.

Dar aus dom Bündel 39 z.B. ruit 530° G und 110 Br;?

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austretende überhitzte Wasserdampf gelangt zu der Hochdruck- ! wasserdampf turbine 4-1, deren Auslaß mit einem Ii ac huber hit sungsbündel'42 des Austauschers 14- verbunden ist. Dieser Austauscher 4-2 kann dem Bündel 30 sehr ähnlich sein. Der nachüberhitzte Dampf durchströmt (den Bündeln 37 und 39 ähnliche) Bündel in den Überhitzern 38 und 4-0, bevor er der Wasserdampfturbine 4-3 für mittleren Druck zugeführt wird, von v/o er sich auf die beiden Niederdruckturbinen nit Doppelkörper 44 und 4-5 für Wasserdampf verteilt. Diese Turbinen sind einem üblichen Kondensator 46 zugeordnet, welcher durch einen Umlauf von Rohwasser gekühlt werden kann, welches bei 71 eintritt und bei 72 austritt. Der Kondensator kann z.B. so vorgesehen sein, daß die Extraktionspumpe 4-7 Wasser von 25° C unter einem Sättigungsdruck von 0,035 Bar zurückschickt ·

Zur Verringerung der Irreversibilitäten kehrt das aus dem Kondensator austretende Wasser zu den Verdampferbündel 31 des Austauschers 14- erst nach Vorwärmung in einer Kaskade von Vorwärmern 48, 49, 50, 51 und 52 zurück, welche durch Anzapfungen an den Wasserdampfturbinen gespeist werden. In den?. beispielshalber angegebenen Schema werden:

- der Vorwärmer 4-8 durch Anzapfung an der Turbine 45 mit einer z.B. 58° C betragenden Temperatur,

- der Vorwärmer 49 durch Anzapfung an der Turbine 44 mit einer ζ·Β. 180° C betragenden Temperatur,

- der Vorwärmer 50 durch Anzapfung an der

Mitteldruckturbine 43 mit einer z.B. 350° C betragenden Temperatur,

- und die Vorwärmer 51 und 52 durch Anzapfung an der Hochdruckdampfturbine 41 mit einer z.B. 300 C bzw. 420° C betragenden Temperatur gespeist.

Das auf z.B. 262° C erwärmte Wasser wird

durch die Speisepumpen 53 dem Verdampferbündel 31 des Austauschen s 14- zugeführt.

Wie oben angegeben, macht die Unmöglichkeit , der Benutzung von Austenitstählen, welche die einzigen wirtschaftlichen Materialien sind, welche dem Fließen bei hoher Temperatur widerstehen können, zur Herstellung der mit dem Schv/ef el in Berührung stehenden Rohre die Verwendung von Austauschrohren zweckmäßig, auf welche im Gleichgewicht stehende

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I Drücke v.drken. Dieses Ergebnis wird durch Benutzung eines Kessels erreicht, dessen Feuerung untar Druck steht, so daß am Ausifaiig des Kessels 2 Verbrennungsgase mit einem Druck und eine:'· Temperatur auftreten, welche die gleiche Größenordnung wie die des erzeugten Schvjefeldanpfs haben. Bei der in Pig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die bei 54 entnommene Atiaosphärenluft durch den Verdichter 24 auf einen entsprechenden Druck gebracht. Dieser Verdichter ist im allgemeinen mehrstufig,mit Kühlung z?/ischen den Verdichtungsstufen. Der Einfachheit halber ist der Verdichter 24 der Pig. 3 durch eine einzige Leitung ^ mit einem von H oh wasser durchströmten Austauscher 56 verbunden dargestellt. Die aus dem Verdichter 24 austretende verdichtete Luft wird in einem Wärmeaustauscher 25 sum Wärmeaustausch mit den Abgasen, welcher weiter unten beschrieben ist, vorgewärmt. Man erhält so Luft von z.B. 180° C unter einem Druck von 24 Bar, welche dem Kessel 22 zugeführt wird. Die Verbrennung der Luft mit dem bei 57 zugeführten fossilen Brennstoff erzeugt Verbrennungsgase, welche nach Bestreichung des Austauscherbündels Gas-Schwefel mit hoher Temperatur,und hohem Druck (z.B. 750° C, 23 Bar) durch die Leitungen 58 austreten« Diese Gase werden nacheinander-in mehrstufigen Gasturbinen 23 entspannt. Es ist nur eine einzige Turbine dargestellt, welche den Verdichter 24 und den Wechselstr oner zeuger 26 (welcher mit dem Wechsel stromerzeuger 21 zusammenfallen kann) antreibt. Die Gase durchströmen dann den Austauscher 25» bevor sie ins Preie abgeführt werden.

Infolge der anzuwendenden Schwefeldrücke und somit der Drücke der Zufuhrluft ist es praktisch unerläßlich, Zwischenkühlmittel an dem Verdichter vorzusehen, wo die Lufttemperatur noch zwischen erheblichen Grenzen schwanken kann, z.B. 25 und 100° C. Andererseits ist jedoch zu bemerken, daß die Gasturbinen 23 nicht mehr das teuerste Organ derartiger Apparate auf v/ei sen, nämlich die Brennkammer, da der Kessel die Aufgabe derselben erfüllt. Perner ermöglicht die Verwendimg des Kessels 22 als Brennkammer der Gasturbine 23 eine sehr erhebliche Verringerung des Luftüberschusses, welcher üblicherweise erforderlich ist, um industriell annehmbare Temperaturen am Einlaß der Turbine zu erhalten.

Perner ist noch zu bemerken, daß infolge der

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^! Speisung des Schwofe ld cuapfkessels 22 πΐ?.τ; ν or verdichteter l.<:^cf,

I das Volumen dieses Kessols ganz erheblich kleiner als das oinos üblichen gegenwärtigen Wasserkessels ist. DJ öse \⁷*.'ϊ.-ϊ.ύ.η£<Ζ:Γ\ΐΛ^ ist umso interessanter, als das gegonv.-irtige Bontrobon. auf rlie V>;r-• grösciirung der jDinhoitslaistung sbzielt. .^TV-aküisch kann dor Lexsei 22 selbst für eine Anlöge von 1200 eloktrischon 1.U7 einen j Kasten aus Spannbeton aufweinen, d.h. eine verhältnismäßig wirbj schaftlichs, .jetzt gut ent.vickelfe Techno] ο·,!·?, welche in die— : sein besonderen Fall den Fortfall des grünsten. Teils des G^:eüci;es zum AuCijün^üi.' dor Rohrbündel gestattet, v. .vieh es bei. den bekannten Kesseln üblich ist und einen sehr erheblichen Toil ihrer Kosten darstellt. Fig. 6 zeigt eins müglioha Ausbildung der V/and , eines derartigen Kesselλ· Der den Innendruck aufnehmende Karten 73 OUS Spannbeton wird auf einer mit der Aufrechterhaltunc, £9.L-i ner Mechanischen Festigkeit verträglichen temperatur durch eine Luftspülung in den Zwirc-lienraun 75 zv;ischon der inneicen Lletrllhaut 7^ des Kastens und einem innen mit einer Wärmeschutzschicht 77 überzogenen Dichtigkeitsblech 76 gehalten* Dieser Wärmeschutz kann eine Ausbildimg haben, welche keine hohen Tempera·" '■ türen aushält. Er ist seinerseits durch eine ringföiniige Kamiaer , 78, v/elche eine genügende Dicke hat, um Besichtigufigsn zu ge-ι statten, und voxi Kühlluft durchctrönt v/ird, von einer dicken Wärm?.schutzschicht 79 £,ötrennt, welche die hohen ienperaturen aushalten kaum. Dieser V.äraesciratz kann die gegern ;irtig in Kernreaktoren benutzte Ausbildung hd-an. Schließlich :uüt die V;i3.ri:eschutzsühicht 79 ini\en nit ein räder berübciriden V.ia:.ieaustau£..chrolicea 80 überwogen, v/flohe von dem Schwefel dui-cJiströmt werden«

ι Schür-BI ich gestattet dio Yt::ceioi.guiig der

Gasturbine 2j5 lait den rifwer dicht or 2^-, dxrech Boraitzung dev ^: Ent^iv;miungF;onoi'tjie der Verbrcnnungsgapo in dor Qurbine 235» dar» j Gewicht des Austauschers Luft-Vei'brerüiunc^K^sc 2> der üblicheu Kesso-1 ganz erheblich zu verringern, wolchor in d^a Fall eij-os nicht mit unter Druck stehender Luft gespeisten i'-ossels unzulässige Abmessungen arniorrjiGn würde.

Die in Fig. 3 dargestellte Anlage kann noch

dadiL'-h vervollKtändigt werden, dr.ß in die Sp^isUi-ig des Ka&.^ls mit luft ϊλχϊϊΛ:: lic l· e Vorv/är^or ο iri go erhalt st weroen_} vi3.io.v.:. zwüc'-rüpig dio t-ireits an den -lufbin;>n vorgocohe-:^ ßchv;-,:iJ~

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}?cnzapfu2i^«u bciiutac.n. Das Int ere sas dieser Lösung bo steht weniger in einer Verbesserung des Gessnt.virkungsgrades als in j der Llöglichkeit, der Anlage eine tfborlastuiigsfäMskeit au geben, j welche bis etv/a 17 % eier lienniast betragen kann, r.z-.im eine zli-■ sät ζ liehe Gasturbine vorgesehen wird, welche ihi normalen Betrieb !außer Betrieb ist und .ils Reserve dient, während sie bei der ¹ Spifczenbelastung zur Aufnahme der zusätzlichen Energie der Ver- ^: brennun;,ogace benutzt v/lrd. Die Hinzufü^iing dieser Turbine ■stellt übrigens in allgemeinen keine zusätzliche Kapitalsani age dar, voil,Aie Gasturbinen als eines der störanfälligsten Organe der Anlage an gare hon v/erden können, stets eine Zahl von Turbinen vorgesehen wird, welche größer als die unbedingt erforderliche Zahl iüt (z.B. 5 Turbinen anstatt 4). Die zusätzlichen Vorv;ärmer werden z.B. in der Anlege der Fig. 3 an den durch die Umrahmungen 60 und 61 angedeuteten Stellen eingeschaltet·

^; Die in Fig. 4 dargestellten, die Anordnung 60

bildenden Austauscher 62 und 63 sind am Ausgang des Austauschers 25 angeordnet. Sie v/erden durch Entnahmen an den V/aas er dampf anzapfungen gespeist, Vielehe an den Speisewasservorwärmern 51 bzw. 52 ankoaiden.

Die box 64 aus dem Vorwärmer 63 austretende

Iiuft wird einer Batterie von zusätzlichen Luftvorwärmern 65» 66, 67 und 68 zugi-führt. Diese Vorwärmer werden durch Entnahnen an den Speisoan?/3pxun{rc?7i dos Überhitzers 33 bzw. des "Überhitzers 4-0 bzw. der Mi&oliüberhitzer 34 und 35 (F.if> 5) gespeist.

Infolge der cIioniseihen Affinität des Schwefels für Sauerstoff, welche die Gefahr einer Entzündung bei einer Berutoung luf t-Schwof el bei einer 250° C übersteigenden Temperatur erzeugt, act es bei weiten vorzuziehen, zv.dschsn die Schwefel- und IittffcstiOKG ein.cn IL:ilauf eine- eine Schranke bilder.len StröiTimr^uitfceliJ einzuschalten, s*B. War-serdanpf, welcher für Schwefel indifferent 2 pt. i'an kann insbesondere doppelwandige Auctauschrol·??© böKatf.on, wobei der Raun zwischen den beiden "Wärrlen von V/ascerdsE-pf mit eiriD-a Druclr. durchströnt wird, v/elcher kleiner als der des Schwefels und der luft ist. Bei einem Leck nii:iiät da^ii dor ^T,va.^c,^erdr.r,ipr den Schvofel oder die Luft- mit, deren Vorhrv^-razoiu. sofort fesl-gestellt v;erden k&nn. Der i-iit der liuft in Brruh^ung stehende I'cuitol kann so auegobildot >ver>der-, daß er die durch die Druckdifferenzen eri-eu^tej. Drüv-JcLeati-

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spruchungen aushält, v/as koine SchwieriReiten bietet, da ::.rc>. J dan Fließen aushaltende Austenitr-tühle benutzen kann. Der mit dem Schwefel in Beruljiueig stehende Hantel kann dagegen aus behandeltem dünnem Ferritstahl sein, um verformbar zu sein, so daß ihn die Druckdifferenz zwischen dem Schwefel und dem Wasserdampf j gegen den zweiten Mantel drückt und ihm ermöglicht, den von den verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien herj rührenden Differentialdehnungen zu folgen.

j V/ährend des normalen Betriebes der in der in

Fig. 4- und 5 dargestellten Weise abgeänderten Anlage befinden ' sich die Vorwärmer 62, 63 und 65, 66, 67 und 68 im Betrieb. Es ; sei z.B. angenommen, daß dann vier Gasturbinen erforderlich sind, um die in den Verbrennungegasen enthaltene Energie auszunutzen. Wenn ein vorübergehender Leistungsüberschuß geliefert v/erden muß, welcher bis zu 17 % der iienrlast gehen kann, v/erden die Speiseentnahmen der Luftvorwärmer abgeschaltet, wodurch die Strömungsmenge der Wasserdampf- und der Schwefeldampf anzapfung in gleichem Laße verringert wird. Gleichzeitig wird die Speisung des Kessels mit Brennstoff z.B. durch Inbetriebnahme von zusätzlichen Einspritzen* für Bremistoff und Luft durch Inbetriebsetzung des der norsialerwej so in Reserve gehaltenen Gasturbine zugeordneten Verdichters erhöht. Die zusätzliche I^enge an Verbrennungsgas ermöglicht die Benutzung dieser normalerweise in Reserve gehaltenen Gasturbine, weiche ihre Leistung dem Wechselstronerzeuger 26 liefert. Es Ixt wichtig, zu bemerken, daß diese Überlastung der Anlage keiner Steigerung der, Wärmeaustausche in dem Kessel 22 zwischen den Verbrennungsoasen und dem Schwefel entspricht, dessen Strömungsmenge am Eingang der Turbine 23 konstant bleibt.

Man verfügt also so über ein äusserst wirtschaftliches Verfahren, um mit einem sehr mäßigen Kapitalaufwand eine Anlage zu errichten, welche eine bedeutende Überlastimg aushalten kann, da die zusätzliche Gasturbine auf alle Fälle als Reserve vorgesehen werden muß. Die Kosten der zusätzlichen Brennstoffeinspritzer, wenn solche erforderlich sind, stellen einen vernachlässigbaren iOeil der Kosten der Anlage dar. Die mit Wasserdampf arbeiten.ion Inftvorwärj.ier 62 und 63 ebenso wie die mit Cchrafel arbeitenden Xuftvorv'lr^er 65 b:·- hebon nur Geringe Au/rtnuschfläohen, da der Ubertra&unf;sko??:fi-

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zient hoch ist, da die Luft unter einem sein· erheblich über dem Atmosphärendruck liegenden Druck steht. Schließlich ist ein zusätzlicher Vorteil dieser Anlage die Möglichkeit einer einfachen und schnellen Erwärmung des Schwefelkreises von der Raumtemperatur aus. Feriier ist noch zu bemerken, daß man ein vorhandenes Kraftwerk mit Dampfturbinen dadurch umbauen kann, daß man den üblichen Kessel durch, den .Schwefeldampferzeuger und Gasturbinen ersetzt. Ein derartiger Umbau ermöglicht die Verdreifachung der Leistung des Kraftwerks·

Die Anlage muß natürlich durch Vorrichtungen

vervollständigt werden, welche nicht dargestellt, aber für den Fachmann offensichtlich sind, insbesondere zur Inbetriebsetzung der kalten Anlage. Alle Teile, in welchen der Schwefel in den festen Zustand zurückkehren kann, müssen mit Kanälen oder elektrischen Leitungen zur Erwärmung gemäß einer Technologie versehen v/erden, welche jetzt laufend verwendet wird, da sie in durch Umlauf eines geschmolzenen Alkalimetalle gekühlten Kernreaktoren verwendet wird. Ferner müssen Anlagen zur ständigen Reinigung des Schwefels und des V/assers zur Ausscheidung der Verunreinigungen vorgesehen werden, mit welchen sich die Strömungsmittel während ihres Umlaufs und infolgs etwaiger Lecke beladen.

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Claims (1)

1. -- 17 - 0139-/"⁷S-Ii-

   PATEKTA K S P It Ü C H E

   The j-inodyn?j.ai sehe s Verfahr on zur Energieer~ • Zeugung mit binären Zyklus mittels einer üirnequeile, bei wel~ i chem eine Warne quelle zur Verdampfung von einen ersten V.ärxe- : träger bildendem Schwefel benutzt wird, welcher in einer Turbine I entspannt und durch Wärmeaustausch mit einem zweiten, durch Wasser gebildeten Wärmeträger niedergeschlagen v/ird, bevor er r:ii der Wärmequelle zurückgeführt v/ird, v/obei der Wasserdampf in u.iner mit einem Kondensator versehenen. Turbine entspannt v/ird, dadurch gekennzeichnet, daß den Schwefel .seine VordpjnpxUnsß-.varne von der Wärnoquelle üb sr ein primäres Strcsungsaittol zugeführt; wird, welches unter einem Druck von der gleichen Größenordnung wie der des verdampftem Schwefels steht»

   2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel in dem Zu star.! von gesättigtes D napf unter Druck durch Warne zufuhr von der War nc quelle gebracht wird, daß er in der Schwofe !dampfturbine (28) iviter solchen Bedingungen j entspannt wird, daß er sich an Auslaß der turbine in dein Zustand von überhitzten Dampf befindet, und daß der überhitzte Schwefeldc^npf durch Y.'ärr.ie zufuhr zu dem Wasserdampf sur Überhitzung desselben in den Zustand von überhitzter.;, i'enpf und hierauf in. den fläßsigen Zustand durch Wärria zufuhr zu dem Wasser zur Verdampfung desselben gebre.cht wird·

   5* Thor modynami sehe Anlage ztir Energie er Beugung mit einer Wäruequclle, einer ersten, von den Schwefel durcnstroiitcn ScJloife mit Mitteln zum Wäx-nujaustausch zwischen der Wan. cquelle ual den ScJi'.vöfel, um diesen in den Zu-tand von gesättigtem Darauf zu versetzen, v.jnigsteno einor IiGtspannungdAirbine und ciii-n ',Tdraeaunt au scher, in welches der Schwefel in die flünsi^;o Phase zOrückkehrt, und einer von V/as^r durchströriten zweiten Schleife, welche unter Aus^nJG von desa. Au star- scher, in \-elchsa das Wasser vordsapft und überhitzt wir-rl, Mittel zur Entspannung und zur Kondensat ion und Kitt öl zur P.iioirführurfr des Wassers in flüssiger Phar.o zu dem Auatauschar enthält, dadurch gekei-jjtseictlmot, daß die Iiittel 7Am ^ri-^uuntauech κγ/ίκοίΐΘΐι dee üurneouello und dom Schrofcl einen Ausfcauscher (14) ent-'iclton, 5λ '•.vlcb-ari der Sohwsfel u^d ein priui'rer. Str-öuunrpnitt·-^ dor War j .ίο quölle praktic:.ch unl-er- den gleicLon Druck stehc-:i*

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   4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekeimzeichi net, dap die. Wärmequelle durch einen Kernrealetor (10) mit llit_fi te.ln (11, 14) zur,i Wärmeaustausch zwischen einem das primäre ! Strömungsmittel bildenden Kühlmittel des Reaktors und dem Schra« ^: fei gebildet wird·

   j 5· Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

   ! net, daß der Reaktor durch einen Umlauf eines Kühlmittels unter j einem in der Nähe des Atmosphärendrucks liegenden Druck gekühlt j wird, v/ob ei die Lütte 1 zum Wärmeaustausch zwischen diesem Kühl- ; mittel und dem Schwefel eine zusätzliche Schleife umfassen,

   welche von einem Strömungsmittel unter einem Druck von der glei- : chen Größenordnung wie der Druck des Schwefels durchströmt wi:~d

   und einen Austauscher (11) aum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel ; des Reaktors und einen Austauscher (14) zum Wärmeaustausch mit I dem Schwefel enthält.

   6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch einen Kernreaktor (10) gebildet j wird, welcher durch einen Umlauf von Gasen mit hoher Temperatur

   I oder durch geschmolzene Ssüse gekühlt wird.

   ! 7· Anlage nach Anspruch $, dadurch gekennzeich-

   ; net, daß die Wärmequelle durch einen Kessel (22) für fossilen i Brennstoff mit oineia von dem Schwefel durchströmten Austauscherbündel gebildet wird.

   8. Anlage nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch Mittel (24) zur Speisung des Kessels mit Verbrennungsluft unter einem solchen Druck, daß der Austrittsdruck der Verbrennungsgase die gleiche Größenordnung wie der Druck des Schwefeldainpf s in dem Au st au sch er bündel hat.

   9* Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speisung mit Luft einen Verdichter (24) für Atmosphärenluft mit einem nachrpschalteten Luftvorwärmer (25) umfassen, und daß die aus den Kessel austretenden Verbrennungsgasü in Vorrichtungen entspannt v/erden, z_t3. oinor den Luftverdichter antreibenden Gasturbine (23), wobei die in der Turbine entspannten Gase das Heizmittel des Jjuftvorv.üruers (25) bilden.

   10. Anlege nach Anspruch 9, gelasrjizeiohnefc durch zusätzliche Mitt-a (60, 61) zur jlr^irnui.s ^r ZufuJirlurt, v;olc/.e hinter den mit uei· Ver-brei-Jiunssf₃ao::u geapoiston Vor;.?r;^r an:'-:-*--

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   ordnet sind und durch Anzapfungen an den Turbinen für Schv.^fel~ dampf und/oder Wasserdampf gespeist v/erden.

   ¹ ' 11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Gasturbinen (23) für den normalen Betrieb eine einen Verdichter antreibende Reservegasturbine vorgesehen ist, wobei die zusätzlichen Luftvorwärmer (60, 61) ausgeschaltet werden können, während gleichzeitig die Reservegasturbine in Betrieb gesetzt wird und die dem Kessel (22) gelieferte Brennstoffmenge vergrößert wird, um zeitweilig eine Spitzenleistung zu liefern.

   12. Anlage nach einem der Ansprüche 3 ^^s 11, gekennzeichnet durch Mittel (38, 4-0) zur Überhitzung und Nachüberhitzung des Wasserdampfs, welche durch Anzapfungen an den SchwefeIdampfturbinen (28) gespeist werden, und/oder durch Vorwärmer (48_f 4.9, 50, 51) für das von dem Kondensator (46) kommende Wasser, welche durch Anzapfungen an den Wasserdampfturbinen (41, 43» 44, 45) gespeist werden.

   13· Anlage nach Ansprach 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Luftvorwärmer (62, 63) durch Entnahmen an den Anzapfungen der Überhitzer und Wasservorwärmer (511 52).gespeist werden.

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