DE2555897A1

DE2555897A1 - Verfahren zum ausnutzen der ueberschusswaerme eines elektrizitaetswerks

Info

Publication number: DE2555897A1
Application number: DE19752555897
Authority: DE
Inventors: Robert P Cahn; Edward W Nicholson
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1974-12-16
Filing date: 1975-12-12
Publication date: 1976-07-01
Also published as: SE7514152L; NL7514655A; BR7508306A; JPS5185060A; FR2295537A1; GB1524236A

Description

UEXKÜLL & STOLDKRG PATENTANWÄLTE

BBSELf=RSTnASSE 4 DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRiCM GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Exxon Research and (Erio: 16. Dezember- 1974

Engineering Company " _ug ^₃ _2Q2 _{und 533}

Linden, N.J., V.St.A. 12725)

Hamburg, den 11. Dezember 1975

Verfahren zum Ausnutzen der überschußwärme eines Elektrizitätswerks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorheizen von Verdampferspeisewasser mittels abgezapftem Turbinendampf unter Ausnutzung der in einem Elektrizitätswerk mit einer mehrstufigen Dampfturbine von einem ununterbrochen arbeitenden Atomreaktor oder einem mit fossilen Brennstoffen beheizten Kessel und einem Verdampfer unter optimaler Lastanpassung abgegebenen Wärme.

Es ist bereits bekannt (GB-PS 381 924.) , Verdampferspeisewasser durch Anzapfung des TurbinendampfStroms mehr oder weniaer vorzuwärmen, um den Wirkungsgrad einer Dampfmaschine oder Dampfturbine zu steigern. Das Vorwärmen des Verdampferspeisewassers ist in Abhängigkeit vom Lastzustand von der Vorwärmdampf abgebenden, untergeordneten Maschine steuerbar. Die GB-PS 381 924 beschreibt jedoch/kein Verfahren zum Speichern von großen thermischen Energiemengen für deren Verwendung während Lastspitzenzeiten. Das gemäß dem bekannten Verfahren gespeicherte

609827/0237

heiße Speisewasser wird ebenso wie kaltes Kondensat im selben Behälter gespeichert, wobei das kalte Wasser lediglich am Boden des Behälters und das heiße Wasser darüber liegt.

Es ist außerdem bereits bekannt (US-PS 3 681 920), eine Verdampfungsvorrichtung an ein mit schwankender Leistungsabgabe arbeitendes Elektrizitätswerk anzuschließen. Dabei wird zur Wärmespeicherung stark erwärmtes Wasser verwendet, das zur wirksamen Energiespeicherung Druckgefäße erfordert. Werden keine Druckgefäße verwendet, dann kann das gespeicherte Wasser bei atmosphärischem Druck lediglich eine maximale Temperatur von 99°C erreichen, und das bedeutet, daß nur ein kleiner Teil der möglicherweise vorhandenen thermischen Energie speicherbar ist.

Es ist weiterhin bekannt (US-PS 3 166 910), Dampf aus einer Turbine zum Vorwärmen des Speisewassers abzuzapfen, wobei zwei Kessel, einer zur Speicherung von kaltem Wasser und einer zur Speicherung von heißem Wasser, vorgesehen sind. Während geringer Leistungsabgaben wird das kalte Wasser aus dem Kaltwassertank abgezapft und durch von der Turbine abgezapften Dampf vorgewärmt. Während dieser Zeit wird das heiße Wasser in einem Heißwassertank gespeichert.

Eine wirksame Wärmespeicherung ist mit Heißwasserspeichern nur bei hohen Drücken erreichbar. Hohe Drücke machen die zugehörigen Anlagen jedoch äußerst unwirtschaftlich. Eine Wassertemperatur von 26O°C erfordert einen Druck von 50 atm, was

609827/0237

für das Speichern von großen Mengen von thermischer Energie äußerst unwirtschaftlich ist.

Eine maximale Leistung ist in einer mehrstufigen Dampfturbine erzielbar, wenn der gesamte Hochdruckdampf durch alle Turbinenstufen entspannt und im Kondensationsapparat bei Kühlblechtemperatur kondensiert wird. Das kalte Verdampferspeisewasser muß jedoch anschließend wieder im Verdampfer erwärmt und das heiße Wasser bei Verdampferdruck und -temperatur verdampft werden, was eine Verschwendung einer großen Wärmemenge bedeutet. Viel günstiger ist es, unterschiedliche Dampfmencen zwischen den Turbinenstufen bei Zwischendrücken abzuzapfen, welche zur Erwärmung des Verdampferspeisewassers geeignet sind. Dabei dienen Dampfströme, die die Hochdruckstufe der Turbine bereits durchlaufen haben, zum allmählichen Erwärmen des Verdampferspeisewassers. Für jede Wärmeeinheit des zum Erwärmen verwendeten Zwischendruckdampfstroms wird nach bereits in der Hochdruckstufe geleisteter Arbeit eine Hochtemperatur-Wärmeeinheit vom Erwärmen freigestellt und zur Erzeugung von Hochdruckdampf für die Turbine verfügbar gemacht. Folglich ist eine maximale Leistung aus einem bestimmten Verdampfer plus Turbine dann erhältlich, wenn zwischen den verschiedenen Stufen der Turbine ausreichende Dampfmengen von Zwischendruck abgezogen und zum Erwärmen des Verdampferspeisewassers verwendet werden. Die genauen Druck- und Temperaturwerte und die Dampfmengen können zwischen 2 und 10 % der gesamten Dampfmenge an jeder Abzapfstelle schwanken und liegen im Ermessen des Konstrukteurs.

Im allgemeinen wird der direkt vom Verdampfer kommende Hochdruck- und Hochtemperaturdampf nicht zur Verdampferspeisewasservorwärmung verwendet, da eine derartige Rückkopplung keinen Vorteil bietet. Es würde. Hochtemperatur-Wärme zum Einsparen von Hochtemperatur-Wärme verwendet, ehe irgendwelche Arbeit geleistet worden wäre. Ein Teil dieses Hochdruckdampfes wird jedoch zum Wiedererwärmen des Dampfs für die Turbinenzwischendruckstufe verwendet. Dadurch wird der Zwischendruckdampf in Wirklichkeit überhitzt, um die während der nachfolgenden adiabatischen Expansion auftretende Kondensation möglichst gering zu halten.

Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei geringer Belastung des Elektrizitätswerks überschüssige thermische Energie bei atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur in einem flüssigen Wärmespeichermedium mit niedrigem Dampfdruck gespeichert wird und daß bei hoher Belastung weniger Dampf aus den Turbinen abgezogen wird, während gleichzeitig das gespeicherte heiße Wärmespeichermedium zur Hilfsheizung durch Wärmeaustausch herangezogen wird, wodurch sich der Turbinendampf ausschließlich für die Stromerzeugung entspannen kann.

Dadurdh wird erreicht, daß ein Atomreaktor oder ein konventioneller Kessel und ein Verdampfer unter optimal gleichmäßigen Bedingungen arbeiten können, während die Leistung der Turbinen, Generatoren und elektrischen Anlagen zwischen etwa 75 % und 120 % in bezug auf eine Grundlast von 100 % schwanken kann.

609827/0237

Während geringer Belastung des Elektrizitätswerks wird somit erfindungsgemäß ein Teil des aus verschiedenen Druckstufen der Turbine abgezapften Dampfs sowie ein Teil des primären Hochdruckdampfstroms vom Verdampfer zu Wärmeaustauschern geleitet, in denen sie zum Erwärmen eines flüssigen Wärmespeichermediuras mit niedrigem Dampfdruck dienen, welches anschließend bei hoher Temperatur gespeichert wird. Während Lastspitzen wird weniger oder gar kein Dampf aus den Turbinen abgezapft und das Hochtemperatur-Wärmespeichermedium zum Vorwärmen des Verdampferspeisewassers und/oder zum Wiedererwärraen des Dampfs für die Zwischenstufe verwendet. Die Verwendung von heißem gespeichertem Wärmespeichermedium anstelle von primärem Hochdruckdampf während Lastspitzen gestattet die Verwendung eines arößeren Anteils von Hochdruckdampf für die Turbinen, wodurch das Kraftwerk flexibler betreibbar ist.

In Atomkraftwerken stellt der Atomreaktor das Herz der Anlage dar, denn er ist die Wärmequelle für die Dampferzeugung im Verdampfer. Der Atomreaktor und der Verdampfer machen 75 % der Gesamtinvestitionen für atombetriebene Elektrizitätswerke aus; ihre Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche .Lastzustände ist jedoch begrenzt. Die übrigen 25 % der Gesamtinvestitionen fallen auf die Dampfturbinen, Kondensationsapparate, Generatoren, Rohrleitungen und die allgemeinen elektrischen Anlagen, deren Aufbau und Arbeitsweise konventionell ist und die gut an eine große Anzahl von Betriebszuständen angepaßt werden können.

609827/02 3 7

Es gibt viele praktische Gründe gegen das Drosseln der Leistungsabgabe eines Atomreaktors. Ein Atomreaktor ist am wirksamsten, wenn er für maximale Leistung betrieben wird. Ein periodisches Verringern der abgegebenen Leistung verschlechtert seinen Wirkungsgrad und führt zu zusätzlichen Betriebsschwieriakeiten und Risiken sowie zu Kostensteigerungen für den Betrieb. Diese geringe Anpassungsfähigkeit macht Atomkraftwerke ledicrlich als Grundlast-Kraftwerke einsetzbar, während für Zwischen- und Spitzenlastzustände konventionelle, mit fossilen Brennstoffen beheizte Kraftwerke herangezogen v/erden müssen. Da das Core eines Atomreaktors nicht an schnelle Lastwechsel angepaßt werden kann, können derartige Kraftwerke die täglichen Anforderungen nicht allein befriedigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem in modernen, konventionellen Kraftwerken durchführbar, insbesondere in Kraftwerken mit Umweltschutzeinrichtungen in Form von Brennstoffaufbereitungsanlagen oder in Form von Brennstoffwaschanlagen. Derartige Anlagen sind jedoch äußerst kostspielig, so daß sie ähnlich wie die Atomreaktoren einen voll ausgelasteten Betrieb des Kraftwerks als Grundlastkraftwerk erzwingen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet auch für unflexible Kraftwerke eine äußerst schnelle Leistunqsanpassung, indem die zum Vorwärmen und Wiedererwärmen verwendete abgezapfte Dampfmenge sowie das heiße Wärmespeichermedium geregelt werden.

609827/02 37

Im Betrieb sind Dampfturbinen äußerst flexibel und mit Teillast betreibbar. Eine einen Generator antreibende Turbine ist an die Last anpaßbar, indem nicht nur die Menge des zuneführten Hochdruckdampfs, sondern auch die von der Zwischenstufe abgezapfte Dampfmenge verändert werden können. Dadurch kann bei geringer Belastung Dampf von verschiedenen Drucken ebenso wie auch Hochdruckdampf abgezapft und zum Erwärmen eines flüssigen Wärmespeicherrnediums mit geringem Dampfdruck, beispielsweise kaltes Wasser oder warmes, organisches öl, auf etwa Verdampfertemperatur verwendet werden. Arbeitet der Verdampfer beispielsweise bei 29O°C und wird dabei Dampf von etwa 75 atm erzeugt, dann kann das öl auf etwa 270° bis 28O°C erwärmt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß das Erwärmen des Öls durch abgezapften Dampf sowie durch Hochdruckdampf thermodynamisch ebenso wirksam ist wie das beschriebene Vorwärmen des Verdampferspeisewassers. Ein bestimmtes Kraftwerk kann also gemäß der Erfindung mit maximalem Verbrennungswirkungsgrad für nukleare oder fossile Brennstoffe arbeiten, während die abgegebene, in elektrische Energie umgesetzte Leistung von der Hochdruck- und Abzapfdampfmenge für das Erwärmen des Wassers \md/oder des Öls abhängig ist. Eine geringere Leistungsabgabe bedeutet jedoch keinen schlechteren thermischen Wirkungsgrad, da die nicht zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendete Wärmemenge in einer ^sForm gespeichert wird, in der sie leicht wieder ausgenutzt werden kann. Bei geringer Belastung erfolgt maximales Dampfabzapf en und ölerwärmen, ohne daß der Betriebszustand des Atomreaktors, die Speisewassertemperatur oder die Dampfmenqe des

6 0 9 8 2 7 / 0 2 J 7

Verdampfers beeinflußt werden. Während Spitzenlastzeiten werden das Abziehen von Hochdruckdampf und das Abzapfen von Zwischendruckdampf eingeschränkt oder unterbrochen und eine Leistungssteigerung für die Turbine ohne Verkleinerung des thermodynamischen Wirkungsgrades im Atomreaktor oder Verdampfer bewirkt, wie es bei einer Absenkung der Speisewassertemperatur der Fall wäre. Während dieser Phase ist das heiße Wärmespeichermedium
eine Kraftwerkshilfsheizung für die Wärmeaustauscher. Das
Speisewasservorwärmen und das Wiedererwärmen des Zwischenstufendampfs erfolgt lediglich durch die in dem fluiden Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme. Mit Kraftwerkshilfsheizung
für die Wärmeaustauscher sind alle anderen Heizvorgänge als das Erhitzen des primären Frischdampfs im Verdampfer gemeint. Es
wurde berechnet, daß beim Speichern von etwa 25 bis 35 % der
von einem Atomreaktor oder einem modernen, mit fossilen Brennstoffen beheizten Kessel abgegebenen Wärme gemäß Erfindung
etwa 15 bis 20 % der Abgabeleistung eines derartigen Kraftwerks von geringen Lastzuständen zu Lastspitzenzuständen übertragbar sind. Ein 1000 Megawatt bei 285°C und 70 atm erzeugendes Atomkraftwerk kann seine Leistungsabgabe bei geringer Belastung auf etwa 750 bis 800 MW absenken und während Lastspitzenzeiten auf 1150 bis 1200 MW ohne Veränderung des Reaktorbetriebszustands oder der Verdampferarbeitsbedingungen erhöhen. Das Kraftwerk ist dabei auf die Erzeugung von 1000 MW unter Verwendung von Hochdruckdampf zur Zwischenüberhitzung und von Abzapfdampf zur Speisewasservorwärmung ausgelegt. Durch die Verwendunq von heißem, fluidem Wärmespeichermedium für die in Wärmeaustauschern auf-

609827/0237

tretenden KraftwerkshiIfsheizungsfunktionen wie das Wiedererhitzen von Dampf und das Vorwärmen von Speisewasser kann der gesamte, vom Verdampfer erzeugte Frischdampf in der Turbine verwendet werden, was eine Leistungssteigerung für die Turbine mit sich bringt. Der gesamte thermodynamisch^ Wirkungsgrad wird aufrechterhalten, da das Verdampferspeisewasser weiterhin vor dem Einspeisen in den Verdampfer auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die der Speisewassertemperatur bei geringer Last entspricht,

In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsaemäßen Verfahrens wird das Verdampferspeisewasser auf höhere Temperatur als bei bekannten Verfahren erwärmt. Vorzugsweise wird das Verdampferspeisewasser mittels des Wärmespeichermediums auf etwa Verdampfertemperatur erwärmt. Dadurch wird im Verdampfer eine ungeheuer große Wärmemenge von der Speisewasservorwärmung freigestellt und steht somit zur Erzeugung von Hochdruckdampf bei hohen Temperaturen zur Verfügung. Wie bereits erwähnt, wird Hochdruckdampf üblicherweise bei bekannten Speisewasservorwärmer fahren nicht unmittelbar als letztes Heizmedium verwendet. Folglich beträgt die Speisewassertemperatur am Verdampfereintritt gemäß den bekannten Verfahren etwa 160 bis 200⁰C, oder etwa 55 bis 120°C weniger als die Betriebstemperatur des Verdampfers. Es zeigte sich, daß das Verdampferspeisewasser unter Verwendung von direkt aus dem Verdampfer stammendem Hochdruckdampf sowie unter eventueller Verwendung von etwas mehr Dampf aus der ersten und aus der zweiten Zwischenstufe auf Temperaturen vorwärmbar ist, die viel näher bei der Verdampferbetriebstemperatur von etwa 290 C

609827/0237

liegen. Vorzugsweise liegen sie 15 bis 60°C unterhalb der Verdampferbetriebstemperatur. Die für das zusätzliche Vorwärmen erforderliche Hochdruckdampfmenge kann 10 bis 25 % der gesamten erzeugten Hochdruckdampfmenge betragen. So sind beispielsweise Verdampfer herstellbar, die 1_f25 Millionen Dampfeinheiten je Zeiteinheit erzeugen. Eine Hochdruckdampf-Verzweigleitung nimmt davon 0,25 Dampfeinheiten und verwendet sie zum Vorwärmen von Verdampferspeisewasser. Die Turbine erhält dann 1 Million Frischdampfeinheiten vom Verdampfer. Unter normalen Betriebsbedingungen hat dieser Rückführbetrieb wenig Sinn. Nach den erfindungsgeraäßen Verfahren erfolgt das Vorwärmen jedoch durch das heiße fluide Wärmespeichermedium, während die 0,25 Millionen Frischdampfeinheiten zur Leistungserzeugung in der Turbine zur Verfügung stehen. Während geringer Belastungen wird hingegen zusätzlicher Dampf, vorzugsweise Hochdruckdampf, zum Erwärmen von noch mehr öl auf eine höhere Temperatur als bei den bekannten Ausführungen abgezapft. Dadurch ist die Abgabeleistuna auf 66 bis 50 % der ausgelegten Leistung absenkbar, während der Verdampfer und der Atomreaktor gleichmäßig bei maximalem Wirkungsgrad arbeiten. Zu Lastspitzenzeiten wird wenig oder gar kein Dampf zur Speisewasservorwärmung oder zur Wiedererwärmung des Wärmespeichermediums abgezweigt. Der sonst für die Speisewasservorwärmung verwendete Hochdruckdampf wird der Turbine zur Verfügung \gesteilt, während das heiße fluide Wärmespeichermedium zur Vorwärmung herangezogen wird.

609827/0237

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist beispielsweise die Abgabeleistung eines für 1000 MW ausgelegten Kraftwerks zwischen 5 bis 600 MW und 1350 bis 1500 MW ohne Änderung der Reaktoroder Verdampferbetriebsbedingungen veränderbar.

Obgleich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein einziges Wärmespeicherfluid von guter Fluidität, Stabilität und geringem Dampfdruck in dem in Frage kommenden Temperaturbereich genügt, werden vorzugsweise mehrere Fluide in getrennten Systemen verwendet, wobei jedes Fluid für einen bestimmten Temperaturbereich vorgesehen ist. Mehrere getrennte Fluide mit den zugehörigen Leitungs- und Speichereinrichtungen steigern zwar den Aufwand für das Kraftwerk, sie erlauben aber die Auswahl von optimalen Temperaturbereichen, die den Eigenschaften eines bestimmten Fluids wie Siedebereich für die Speicherung bei atmosphärischem Druck, Gefrierpunkt, thermische Stabilität und Viskosität des Fluids, also den Wärmeübertragungseigenschaften angepaßt sind. Wasser ist zwar ein gutes Wärmespeichermedium von geringer Viskosität und hoher spezifischer Wärme, es kann jedoch wegen seines hohen Dampfdrucks über 99°C nicht verwendet werden. Organische öle oder stabile organische Verbindungen.mit guten Wärmeübertraqungseigenschaften, beispielsweise aromatische Äther oder Oxide, sind unter 34O°C hervorragend geeignet, wenn sie zur Verhinderung von Oxidation vor Luftzutritt geschützt sind. Organische öle haben beispielsweise bei der maximalen Temperatur einen ausreichend niederen Dampfdruck, der das Speichern bei atmosphärischem Druck gestattet. Thermische Energie kann somit bis zu etwa

609827/0237

315 bis 345°C bei atmosphärischem Druck in einem organischen öl oder einem ähnlichen organischen Stoff, wie aromatischen Äthern oder Oxiden, gespeichert v/erden. Andererseits werden organische öle bei einer Kühlblechtemperatur von 28 bis 38°C zähflüssig und zur Wärmeübertragung schlecht geeignet, über 345°C treten für die meisten öle thermische Langzeitstabilitätsprobleme auf, und es sind von diesem Temperaturbereich an beispielsweise geschmolzene, anorganische Verbindungen mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, beispielsweise geschmolzene Alkalien oder deren Salze, geeignet. Da diese Stoffe bei Raumtemperatur und sogar bis zu 26O°C zumeist Feststoffe sind, liegt ihr günstiger Temperaturbereich zwischen 315 und 65O°C. Dies veranschaulicht, daß durch sorgfältige Auswahl des Speichermediums ein breites Spektrum von Speichertemperaturen und damit ein maximaler Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 ein Rohrleitungsschema für ein konventionelles Kraftwerk, wobei das
vorgewärmt wird;

werk, wobei das Verdampferspeisewasser auf etwa 160⁰C

Figur 2 den erfindungsgemäßen Verdampfer zur Vorwärmung des Verdampferspeisewassers auf 26O°C;

Figur 3 einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführung der in Figur 1 gezeigten Anlage, wobei gemäß der Erfindung kein Heißwassersystem vorhanden ist und die gesamte Wärmespeicherung durch öl erfolgt; und

609827/023 7

Figur 4 ' eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einem Hochtemperaturkessel mit fossiler Brennstoffheizung oder mit einem Atomkraftwerk.

In Figur 1 strömt von einem Atomreaktor und einem Verdampfer stammender Hochdruckdampf durch eine Leitung 2. An einer Verzweigung 3 wird ein Teil des Hochdruckdampfs mittels einer Leitung 4 abgezweigt und in einer Zwischenstufenheizung 5 als Heizmedium verwendet. Der größte Teil des Dampfes wird einer Turbine 6 über eine Leitung 7 zugeführt und mittels einer Leitung 8 zur Zwischenstufenheizung 5 geleitet. Dieser treibende Dampf wird dann durch eine Leitung 9 zu einer in Reihe geschalteten Niederdruckturbine 6a geführt. Der Abdampf aus der Turbine 6a führt über eine Leitung 10 zu einem Kondensationsapparat 11. In nach bekannten Verfahren arbeitenden Anlagen strömt das Kondensat durch eine Leitung 12 zu einer Pumpe 13, die es in eine Leitung 14 einspeist. Die Leitung führt über ein Ventil 15 zu einer Leitung 16, die zu einer Reihe von Wärmeaustauschern führt. Das kalte Kondensat in der Leitung 16 wird in Wärmeaustauscher 17a und 17b eingespeist. Die Wärmeaustauscher 17a und 17b werden durch Abzapfdampf von der Niederdruckturbine 6a über die Leitungen 18a und 18b erwärmt. Abzapfdampfkondensat aus dem Wärmeaustauscher 17a strömt durch eine Leitung 19 zum Wärmeaustauscher 17b, in dem ein weiterer Wärmeaustausch erfolgt, und anschließend durch eine Leitung 20 zum Kondensationsapparat 11 weiter. Das leicht erwärmte Verdampferspeisewasser in der Leitung 16 tritt nun

609827/0237

durch Wärmeaustauscher 21a und 21b, in die durch Leitungen 22a und 22b Abzapf dampf aus der Turbine 6 gelancrt. Dampf kondensat aus dem Wärmeaustauscher 21a tritt durch eine Leitung 23 in den Wärmeaustauscher 21b und dann durch eine Leitung 24 zu dem zuvor erwähnten Wärmeaustauscher 17a, von dem es schließlich durch eine Leitung 19 zum Wärmeaustauscher 17b und durch eine Leitung 20 zum Kondensationsapparat 11 gelangt. Das nunmehr vorgewärmte Verdampferspeisewasser in der Leitung 16 wird in den Verdampfer 1 eingespeist.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht demgegenüber folgendermaßen vor: Zusätzlich zu dem bekannten Verdampfer-Speisewassersystem wird ein Energiespeicherverfahren durchgeführt, das zusammen mit dem bekannten Verfahren arbeiten kann oder als besonderer Vorteil der Erfindung das gesamte konventionelle Speisewassererwärmen während Spitzenlastzeiten ersetzt.

Bei geringer Belastung des Kraftwerks wird das Verdarapferspeisewasser auf die beschriebene Weise vorgewärmt, es werden jedoch zusätzlich Abzapfdampf von den Turbinen, etwas Hochdruckdampf vom Verdampfer und die Kondensate aus den einzelnen Abzapfdampfkondensationsapparaten zur Erwärmung des Wärmespeichermediums verwendet. Abzapfdampf von der Turbine 6 strömt durch die Leitungen 22a und 22b. Ventile 25 und 26 sind offen und lassen das Verdampferspeisewasser auf die beschriebene Weise vorwärmen, wobei der Dampf außerdem durch das Ventil 26 und die Leitungen 27a und 27b zu Wärmeaustauschern 28a und 28b strömt, in denen an

609827/0 2 37

aus einem Kessel 29 über eine Leitung 30 zugeführtes kaltes öl Wärme .zugeführt wird. In einem Wärmeaustauscher 31 wird durch die Leitung 2 vom Reaktor und Verdampfer strömender primärer Hochdruckdampf mittels einer Leitung 32 und eines Ventils 33 abgezweigt und zur abschließenden Erwärmung des heißen Öls vor dessen Speicherung im Kessel 34 verwendet. Das Hochdruckdampfkondensat im Wärmeaustauscher 31 strömt durch eine Leitung 35 zum Wärmeaustauscher 28a, in welchem es das öl erwärmt und mit einem weiteren Kondensat aus dem Wärmeaustauscher 28a durch eine Leitung 36 zum Wärmeaustauscher 28b strömt, in dem kälteres öl weitere Energie aus dem Dampf und dem Kondensat aufnimmt. Das Dampfkondensat wird anschließend in einem Heißwasserheizsystem verwendet.

Durch die Leitungen 18a und 18b wird etwas Niederdruckdampf aus der Turbine 6a abgezapft. Dieser durch Ventile 37 strömende Niederdruckdampf dient zum Vorwärmen des Verdampferspeisewassers, Er strömt durch Ventile 38 und Leitungen 39a und 39b zu Wärmeaustauschern 40a und 4Ob und wird zur Erwärmung von Wasser aus einem Kessel 41 herangezogen, welches durch eine Leitung 42 zum Heißwasserspeicherkessel 43· strömt. Da das aufgewendete Dampfkondensat in einer Leitung 44 vom Wärmeaustauscher 28b zur Wassererwärmung heiß genug ist, wird es zum Wärmeaustauscher 40a und anschließend durch eine Leitung 45 zum Wärmeaustauscher 40b geleitet. Das jetzt völlig aufgewendete Dampfkondensat strömt durch eine Leitung 46 zum Kondensationsapparat 11. Die durch eine Leitung 14 strömende Menge von Verdampferspeisewasser ist

609827/0237

konstanc. Das Teilen dieser Ströme zwischen den Leitungen 16 und 52 wird durch Einstellen der Ventile 15 und 50 geregelt. Während Lastspitzenzeiten ist das Ventil 15 geschlossen und der Strom durch die Leitung 16 unterbunden. Die Ventile 25 und zu den Wärmeaustauschern 21a und 21b sowie 17a und 17b sind ebenfalls geschlossen. Die Ventile 26 und 38 sind auch gesperrt und unterbrechen dadurch den Dampfstrom zu den öl- und Wasserwärmeaustauschern 28a und 28b sowie 40a und 40b. Das Ventil in der Leitung 32 zum Wärmeaustauscher 31 ist auch gesperrt. Das Verdampferspeisewasser vom Kondensationsapparat 11 strömt nun durch die Leitung 12 zur Pumpe 13, durch die Leitung 14 zur Leitung 51 und durch das Ventil 50 zur Leituna 52. Die Leitung 52 führt durch eine Reihe von Wärmeaustauschern. Kaltes Verdampferspeisewasser tritt durch einen Wärmeaustauscher 53, indem es Wärme aus heißem Wasser mitnimmt, das durch eine Leitung 54 von einem Kessel 43 zugeführt wird. Die Leitung 54 mündet in einen Kaltwasserspeicherkessel 41. Das erwärmte Verdampferspeisewasser in der Leitung 52 tritt als nächstes in einen Wärmeaustauscher 55, in dem es weitere Wärme aus durch eine Leitung 56 strömendem öl aufnimmt. Das öl in der Leitung kommt von einem Speicherkessel 34. Das heiße öl aus dem Speicherkessel 34 strömt ursprünglich durch eine Leitung 57 zu der Zwischenstufenheizung 5, in der seine ursprüngliche hohe Temperatur amxwirksamsten genutzt wird. Beim Abkühlen strömt das öl durch die Leitung 56 und steht mit fortlaufend kälteren Verdampferspeisewasser in mehreren Wärmeaustauschern 55 in Berührung. Ein Teil des ursprünglich aus dem Speicherkessel

609827/0237

-M-

kommenden heißen Öls kann direkt zur Erwärmung des Verdampferspeisewassers herangezogen werden, ohne teilweise selbst als Zwischenstufen-Wiedererwärmungsmedium aufgewendet zu werden, in dem es durch eine Leitung 58 zu einem Wärmeaustauscher 59 geleitet wird und dem Verdampferspeisewasser vor dessen Einspeisen in den Verdampfer den letzten Wärmestoß gibt. Das heiße öl strömt dann durch eine Leitung 60 in die Leituna 56. Die obige Anordnung kann auf die beschriebene Weise oder nach einem bekannten zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, d.h. die Erwärmung des Verdampferspeisewassers kann sowohl in der Leitung 16 als auch in der Leitung 52 erfolgen. Beim Absperren der Leitung 16 und der Ventile 25, 26, 37, 38, 33 und 66 erfolgt das Vorwärmen von Verdampferspeisewasser und das Wiedererwärmen von Zwischenstufendampf mit gespeicherter Wärme, und es wird der gesamte erzeugte Frischdampf durch die Turbinen geleitet, wodurch die Anlage eine hohe Leistung abgibt, ohne die Verdampferspeisewassertemperatur, den Verdampferspeisewasserdurchsatz und den Verdampferwirkungsgrad zu beeinflussen.

Figur 2 zeigt eine Anlage, in der primärer Hochdruckdampf direkt zur Speisewasservorwärmung verwendet wird und in der der Verdampfer bei wesentlich höheren Speisewassereinlaßtemperaturen als bei bekannten Verfahren arbeitet. Hierbei wird ein Teil des vom Verdampfer 1 kommenden Hochdruckdampfs während geringer Belastung durch eine Leitung B zu einem Wärmeaustauscher B2 in der Leitung 16 abgezweigt. Kondensat aus der Leitung B2 strömt durch

609827/0237

eine Leitung B4 zu den Wärmeaustauschern 21a und 21b. Dampf strömt durch die Leitung 32 zum Wärmeaustauscher 3, in den er zur Erwärmung von zu speicherndem öl herangezogen wird. Während Lastspitzenzeiten werden die Ventile B1 und 33 geschlossen und der abgezweigte Dampfstrom eingeschränkt. Das Kondensat vom Wärmeaustauscher 31 strömt durch die Leitung 35 zum Wärmeaustauscher 28a. Diese bis zu 10 bis 40 % der Verdampferabgabemenge ausmachende Hochdruckdampfmenge strömt nun durch die üblichen Leitungen in die Turbinen, während das Vorwärmen des Verdampferspeisewassers ausschließlich durch das heiße Wärmespeichermedium auf die in Verbindung mit Figur 1 beschriebene Weise erfolgt. Dabei wird das Verdampferspeisewasser auf die Temperatur vorgewärmt, auf die es auch während geringer Belastungen vorgewärmt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gibt einem Atomreaktor oder einem konstant arbeitenden Kraftwerk mit fossiler Brennstoffheizung eine bislang unerreichte Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Lastzustände.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei kein heißes Wasser verwendet wird und die Wärmespeicherung durch öl zwischen der Kühlblechtemperatur von üblicherweise 16 bis 38 C und der Verdampfertemperatur von etwa 260 bis 345°C erfolgt. Figur 3 stellt eine andere Ausführung der Anordnung aus Figur 1 dar; es sind daher gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Führung der kalten Ölleitung 30 durch die Wärmeaustauscher 40a, 40b, 28a, 28b und 31 sowie im Weglassen der Kessel 41 und 43.

609827/0237

Für Atomreaktoren oder Kessel mit fossiler Brennstoffheizung und für Verdampfer mit höherer Hochdruckdampftemperatur sowie für Kraftwerke, in denen überhitzter Hochdruckdampf zum Treiben der Turbinen verwendet wird, kann eine dritte unabhängige Reihe von Wärmeübertragern und Wärmeaustauschern verwendet werden, in denen das fluide Wärmespeichermedium ein geschmolzenes Salz, ein geschmolzenes Hydroxid wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, eine Hydroxidmischung oder ein fluides, Wärme zwischen 260 und 54O°C oder mehr speicherndes, Metall ist.

Figur 4 zeigt ein Hochtemperatur-Hochdruckkraftwerk mit einer Betriebstemperatur von 54O bis 65O°C und einem Betriebsdruck von 175 atm, in dem ein geschmolzener anorganischer Stoff als Wärmespeichermedium verwendet wird. Die Turbinen 6 und 6a sowie die zugehörigen Einrichtungen und Rohrleitungen entsprechen der in Figur 1 gezeigten Anordnung. Die Anlage weist für den vom Verdampfer 1 kommenden überhitzten primären Hochdruckdampf außerdem eine Hochleistungsturbine 6 auf; der überhitzte Dampf strömt durch die Leitung 2 zur Verzweigung 3, bei der ein Teilstrom durch die Leitung 4 zur Zwischenstufenheizung 5 für die Zwischenerhitzung abgezweigt wird. Der Hauptstrom des primären überhitzten Hochdruckdampfs führt durch die Leitung 7 in die Turbine 6 . Abzapf-

dampf aus der Turbine 6 dient zur bekannten Verdampferspeisewas servorwärmung und/oder zum Erwärmen der geschmolzenen anorganischen Wärmespeicherverbindung. Dieser strömt durch Leitungen 100a und 1OOb und durch Ventile 101 zu Wärmeaustauschern 102a und 102b, in denen das Verdampferspeisewasser in der Leitung

609827/023 7

16 erwärmt wird. Kondensat aus dem Wärmeaustauscher 102a strömt durch eine Leitung 103 in den Wärmeaustauscher 102b und von dort durch eine Leitung 104 zum Wärmeaustauscher 21a. In dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird Abzapfdampf in der Leitung 100 durch die Ventile 105 und anschließend durch Leitungen 106a und 106b zu Wärmeaustauschern 107a und 107b für das geschmolzene anorganische Wärmespeichermedium geleitet. Das kalte geschmolzene anorganische Speichermedium aus dem Speicherkessel 108 strömt durch eine Leitung 109 zu den Wärmeaustauschern 107a und 107b, in denen es erwärmt wird. In einem über eine Leitung 111 und ein Ventil 112 mit primärem Hochdruckdarnpf versorgten Wärmeaustauscher 110 wird das geschmolzene anorganische Speichermedium weiter erwärmt. Das verbrauchte Heizmedium aus dem Wärmeaustauscher 110 strömt durch eine Leitung 113 in den Wärmeaustauscher 107a und von dort durch die Leitung 114 in den Wärmeaustauscher 107b und weiter durch die Leitung 115 zu den hintereinander liegenden Öl-Wärmeaustauschern 28a und 28b. Das heiße geschmolzene, anorganische Speichermedium wird in einem Kessel 116 gespeichert. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Zwischenüberhitzung des Dampfes und die Speisewasservorwärmung während geringer Belastungen des Kraftwerks mittels primärem Hochdruckdampf und mittels Zwischenstufenabzapfdampf. Während Lastspitzenzeiten werden die Ventile 101, 105, 112 und 66 sowie alle Abzapfdampfventile an den Turbinen 6 und 6a geschlossen, und die gesamte Kraftwerkshilfsheizung erfolgt mit den heißen Wärmespeichermedien. In der in Figur 3 gezeigten Anordnung wird das Verdampferspeisewasser in der Leitung 52 beim Verlassen des Öl-Wärmeaustauschers 55 in den Wärmeaustauschern 117 durch heißes

609827/0237

geschmolzenes, anorganisches Speichermedium aus^ dem Kessel 116 in der Leitung 118 erwärmt. Das anorganische Speichermedium in der Leitung 118 kann entweder für die Zwischenüberhitzung in der Zwischenstufenheizung 5 verwendet oder durch eine Leitung 120 zum Wärmeaustauscher 119 für die Verdampferspeisewasservorwärmung herangezogen und anschließend durch die Leitunq 121 und die Leitung 118 für die Wärmeaustauscher 117 genutzt werden.

Obgleich das Zwischenstufenüberhitzen und das Wiedererhitzen des geschmolzenen anorganischen Speichermediums auf höchste Temperatur mittels überhitztem primärem Hochdruckdampf beschrieben ist, kann ein derartiges überhitzen oder Wiedererhitzen auch direkt vom Kessel oder vom Reaktor, beispielsweise bei einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor erfolgen. Es wird darauf hingewiesen, daß die in Verbindung mit Figur 2 beschrie-

bene Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich das Vorwärmen von Verdampferspeisewasser, mittels Hochdruckfrischdampf vom Verdampfer während geringer Belastung der Anlaae auch in Verbindung mit der in Figur 4 dargestellten Anlage mit drei Wärmespeichermedien durchführbar ist. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß die Speisewasservorwärmung und die Zwischendampf überhitzung mittels öl oder heißem Wasser gemäß den Wärmeaustauschern 5, 53, 55 und 59 in Figur 1, und 5, 53, 55, 117 und 119 in Figur 4 anstelle von oder zusätzlich zu Wärmeaustauschern erfolgen kann, die mit Hochdruckdampf, abgezogenem Dampf und Kondensatströmen arbeiten. Es liegt daher im Rahmen der Erfindung, das Wiedererwärmen und Vorerwärmen jederzeit mittels

609827/0 237

einer umlaufenden, geschmolzenen anorganischen Verbindung, mi.t heißem öl und mit heißem Wasser durchzuführen und lediglich den Grad der Wiedererwärmung für die einzelnen Speichermedien in Abhängigkeit von der Belastung des Kraftwerks zu verändern. Ein maximales Wiedererwärmen tritt bei geringer Belastung auf, während kleinste oder gar keine Wiedererwärmung während Lastspitzenzeiten erfolgt.

Für Hochtemperaturreaktoren können zwei fluide Wärmespeichermedien verwendet werden, beispielsweise kann öl für den Bereich zwischen 38 und 260 bis 315 C und eine geschmolzene anorganische Verbindung zwischen 260 bis 316 und etwa 540 C gewählt werden.

Es wurden getrennte Wärmeaustauscher zum Erwärmen der Wärmespeichermedien mit Dampf und zum Erwärmen des Verdampferspeisewassers mittels der heißen Wärmespeichermedien beschrieben, vorzugsweise können aber auch die selben Wärmeaustauscher die beiden üblicherweise nicht zur gleichen Zeit ausgeführten Funktionen ausüben.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Wärmeaustauscher und die Menge des abgezapften Dampfes, das Vorwärmen und das Wiedererwärmen sowie die Reihenfolge des Wärmeaustauschens im Ermessen des Fachmanns liegen.

609 8 27/0237

Es entspricht ebenfalls dem Erfindungsgedanken, die Wärmespeichermedien auf andere Weise als durch Abzapfdampf oder Hochdruckdampf zu erwärmen, beispielsweise durch Sonnenenergie oder durch andere ungenützte Wärme wie aus Turbinen- oder Schornsteinabgasen. Dieses Erwärmen ist zusätzlich oder getrennt zu der beschriebenen Dampfheizung durchführbar. Die Verwendung des heißen Wärmespeichermediums zum Vorwärmen des Verdampferspeisewassers sowie zum Wiedererwärmen des Zwischendruckdampfes bei starker Belastung der Anlage ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung vom Entstehungsort der im Wärmespeichermedium gespeicherten Wärme unabhängig.

60-9827/0237

Claims

Patentansprüche

(1.\ Verfahren zum Ausnutzen der in einem Elektrizitätswerk mit einer mehrstufigen Dampfturbine von einem ununterbrochen arbeitenden Atomreaktor oder einem mit fossilen Brennstoffen beheizten Kessel und einem Verdampfer unter optimaler Lastanpassung abgegebenen Wärme, wobei abgezapfter Turbinendampf zum Vorheizen von Verdampferspeisewasser dient, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringer Belastung des Elektrizitätswerks überschüssige thermische Energie bei atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur in einem flüssigen Wärmespeichermedium mit niedrigem Dampfdruck gespeichert wird und daß bei hoher Belastung weniger Dampf aus den Turbinen abgezogen wird, während gleichzeitig das gespeicherte heiße Wärmespeichermedium zur Hilfsheizung durch Wärmeaustausch herangezogen wird, wodurch sich der Turbinendampf ausschließlich für die Stromerzeugung entspannen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringer Belastung ein Teilstrom des zumindest aus einer Turbinenstufe abgezapften Dampfs zu mindestens einem ersten Wärmeaustauscher geleitet wird, daß bei geringer Belastung ein Teilstrom des primären Hochdruckdampfs zu mindestens einem zweiten Wärmeaustauscher geführt wird, daß das flüssige Wärmespeichermedium von einem kalten Speicher durch Wärmespeicher in einen heißen Speicher

609827/0237

geleitet wird, daß das Wärmespeichermedium in den Wärmespeichern mittels des abgezapften Dampfs und des primären Hochdruckdampfs erwärmt wird, daß das erwärmte Wärmespeichermedium bei hoher Temperatur und bei atmosphärischem Druck unter Luftabschluß in einem heißen Speicher gespeichert wird, daß bei hoher Belastung das Vorwärmen des Verdampferspeisewassers mittels abgezapftem Dampf teilweise oder vollständig unterbunden wird, daß das heiße Wärmespeichermedium durch dritte Wärmeaustauscher vom heißen Speicher in kalte Speicher übertragen wird, daß das Verdampferspeisewasser im dritten Wärmeaustauscher mittels des strömenden, heißen Wärmespeichermediums erwärmt wird, und daß das erwärmte Verdampferspeisewasser in den Verdampfer geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermedium vor dem Vorwärmen des Verdampferspeisewassers zum Zwischenerhitzen des Turbinenzwischendruckdampfes verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Teilstrom des primären Hochdruckdampfs während geringer Belastung als Verdampfersp^eisewaser-Vorwärmmedium zu Wärmeaustauschern abaezweiqt wird.

609827/0237
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermedium ein organischer Stoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Stoff ein organisches öl ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermediura ein geschmolzener, anorganischer Stoff ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Stoff ein geschmolzenes Metall ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Stoff ein Metallhydroxid ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wärmespeichermedien zur Hilfsheizung für Elektrizitätswerke verv/endet werden, wobei jedes Wärmespeichermedium von den übrigen abgeschlossen ist und Energie bei atmosphärischem Druck unter Luftabschluß in einem Ausmaß und bei einer Temperatur speichert, die der maximalen Wirksamkeit des Wärmespeichermediums entsprechen.

surhurbü

6 0 9827/0237

Leerseite