DE2839638A1

DE2839638A1 - Trockenkuehlsystem fuer kraftwerkanlagen

Info

Publication number: DE2839638A1
Application number: DE19782839638
Authority: DE
Inventors: Jun George J Silvestri
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1979-03-22
Also published as: ES473488A1; AU522241B2; CH634127A5; US4156349A; JPS5851194B2; CA1081479A; MX146281A; IT1099096B; BE870599A; JPS5453706A; IT7827715A0; FR2403452A1; GB2004596A; ZA784607B; BR7805928A; AU3935178A; GB2004596B

Description

Die Erfindung betrifft ein Trockenkühlsystem für Kraftwerkanlagen mit einem Dampfgenerator, einem kompressiblen Medium zum Antrieb einer Turbine, welche eine Vielzahl von Ausläufen hat, durch die das Antriebs medium mit unterschiedlichem vorgegebenen Druck sowie unterschiedlicher Temperatur ausströmt,und mit einem Luft als Kühlmittel verwendenden Kühlturm. Die Kreislaufeffizienz von Kraftwerkanlagen läßt sich erhöhen, wenn Zonenkondensatoren oder Mehrfach-Druckkondensatoren verwendet werden. Diese Kondensatoren werden besonders günstig eingesetzt für mit kompressiblen Medien angetriebene Turbinen, die eine Vielzahl von Turbinenausläufen haben. Wenn das kompressible Medium

über die

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über die Außenseite eines Kondensators geführt werden soll, kann die zonenmäßige Unterteilung durch eine Unterteilung der Kondensatormantelfläche erfolgen, indem Trennwände eingefügt werden. Wenn das kompressible Medium dagegen durch Wärmeaustauscher geführt wird, ist eine Unterteilung des Kondensatorgehäuses unnötig, da sich bereits eine zonenmäßige Trennung durch den Anschluß der Wärmeaustauscherleitungen an die verschiedenen Turbinenausläufe ergibt.

Die Kühlung der einzelnen Zonen der Kondensatoren,sei es mit unterteilten oder separaten Ge hau sen, er folgt häufig durch umlaufendes Wasser oder ein anderes Kühlmittel, welches durch die Zonen geführt wird. Die Kühlmittel nehmen dabei eine erhöhte Temperatur an, jedoch verbleiben sie in der flüssigen Phase, während sie durch die Kühlleitungen fließen. Der Aufbau der Kühlleitungen ist häufig derart, daß sie in Serienschaltung angeordnet sind, da eine solche Serienschaltung eine geringere Kühlmittelströmung benötigt, als dies bei einer Parallelschaltung der Fall ist, wenn man davon ausgeht, daß in beiden Fällen ein Kühlmittel mit unveränderter Phase, wie z.B. Wasser, Verwendung findet. Die Unterteilung der Kondensatoren in Zonen bzw. die zonenmäßige Trennung einzelner Kreise trägt zur Verbesserung der Kreislaufeffizienz bei, jedoch ergeben sich auch wesentlich komplexere und damit teurere Anlagen, wobei die Temperatur der im Kondensator fließenden Kühlmittel sehr hoch ansteigen kann. Es ergibt sich ein grundsätzlicher charakteristischer Temperaturanstieg beim Übergang von einer Anlage mit einem offenen Kreislauf zu einem Naßkühlsystem und weiter zu einem Trockenkühlsystem, wobei der verhältnismäßig große Temperaturanstieg für das Trockenkühlsystem typisch ist.

Das Trockenkühlsystem erfordert gegenüber dem Naßkühlsystem höhere Kapitalkosten, was einerseits für das Naßkühlsystem gegenüber einem System mit offenem Kreislauf gilt. Es ist jedoch häufig wünschenswert, die Vorteile des Trockenkühlsystems zu erhalten, die im wesentlichen darin bestehen, daß für das Kühlmittel keine besonderen Anforderungen

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gestellt werden und das Entstehen von Dampfwolken am Kühlturm verhindert werden kann. Ferner lassen sich damit auch die Anforderungen an den verringerten Temperaturanstieg des Kühlmittels bei einer offenen Anlage umgehen. Neben den größeren Anlagekosten einer Trockenkühlanlage haben diese in der Regel auch höhere Betriebskosten. Diese höheren Betriebskosten ergeben sich hauptsächlich durch die Optimierung der wärmeübertragenden Bereiche sowie der eigentlichen Kosten für den Unterhalt und den Betrieb der Anlage. Um die Kapitalkosten für die wärmeübertragenden Oberflächenbereiche auf einem, akzeptablen Niveau zu halten, wird es häufig notwendig, die Kreislaufeffizienz dadurch zu verringern, daß mehr Energie für eine Zwangsluftführung benötigt wird und daß höhere Kondensationstemperaturen zugelassen werden. Zusätzlich verbrauchen sowohl Trockenkühlanlagen als auch Naßkühlanlagen einen beträchtlichen Energieanteil für die Pumpsysteme, die in einem Sekundärkreislauf, der z.B. als Kühlmittel Wasser enthält, für die Umwälzung des Kühlmittels sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile von bekannten Trockenkühlsystemen dadurch zu verringern, daß die Kondensationstemperatur und der Kondensationsdruck im Primärkreislauf erniedrigt und die Oberflächenbereiche der Wärmeübertragenden Oberfläche gegenüber zuvor bekannter Trockenkühlsysteme verringert werden. Ferner soll auch die Pumpleistung verringert werden, die in einem solchen System benötigt wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Trockenkühlsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den einzelnen Auslaufen der Turbine Kühlkondensatoren zugeordnet sind, die sich im Kühlturm befinden und daß das von den Kühlkondensatoren kommende Kondensat zum Dampfgenerator zurückfließt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Vielzahl

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von Kühlkondensatoren in einem Kühlturm vor, wobei jeder einzelne Kühlkondensator jeweils einem anderen Turbinenauslauf zugeordnet ist. Dabei ist der Kühlkondensator mit der niedrigsten Temperatur des Mediums an den Turbinenauslauf mit niederen Druck und der Kühlkondensator mit der höchsten Temperatur des Mediums an den Turbinenauslauf mit höchsten Druck angeschlossen. Die Kühlkondensatoren können ferner miteinander in Serie geschaltet sein, sodaß das Kondensat vom niederdruckseitigen Kühlkondensator in den Kreislauf zum Kühlkondensator einer höheren Druckstufe eingeleitet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung werden eine Vielzahl von Zwischengeschalteten Kondensationseinrichtungen vorgesehen, wodurch ein Sekundärkühlkreis entsteht. Die einzelnen Kondensations einrichtungen arbeiten auf unterschiedlichen Kondensations temperaturen und sind entsprechend an druckunterschiedliche Turbinenausläufe angeschlossen. Um in der Kondensations einrichtung den bestimmten Kondensations druck jeweils aufrechtzuerhalten, zirkuliert in dem Sekundärkühlkreis ein nicht-kompressibles Kühlmittel, wobei der Wärmeaustauscher des Sekundärkühlkreises jeweils in der weiteren Kondensationseinrichtung und der zugeordnete Kühler im Kühlturm angeordnet ist. Der Druck des nichtkompressiblen Kühlmittels wird in jedem Kühlkreis auf einem Niveau gehalten, bei welchem eine Phasenänderung in der Weise stattfindet, daß das Kühlmittel im Wärmeaustauscher verdampft und im Kühlelement wieder kondensiert, wobei im wesentlichen die Temperatur konstant bleibt. Auch bei dieser Ausgestaltung können die einzelnen Kondensations einrichtungen des ersten Kühlkreises sowohl parallel als auch in Serie geschaltet sein. Ferner sind die Sekundär kühlkreise derart ausgebildet, daß die Kühlelemente im Kühlturm zonenweise hintereinander geschaltet sind, wobei die Temperaturen in den Kühlkreisen von einer geringsten Temperatur am Einlauf der Luftströmung in den Kühlturm bis zu einer maximalen Temperatur am Auslauf der Luftströmung im Kühlturm sich

ändert. 909812/098 8

Die Vorteile

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung, die in den Fig. 1 bis 4 unterschiedliche Ausführungsformen für Trockenkühlsysteme gemäß der Erfindung zeigt.

Die Trockenkühlsysteme gemäß der Erfindung dienen dazu, die Kraftwerk-Verlustwärme an die Atmosphäre abzuleiten. Dementsprechend sind in der nachfolgenden Beschreibung Kühlsysteme für Kraftwerkanlagen gezeigt, die eine oder mehrere Turbinen für ein kompressibles Medium haben können.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird ein kompressibles Medium mit hohem Transferdruck und hoher Temperatur von einem Verdampfer 12 über eine Leitung 14 zum Einlauf einer Turbine 10 übertragen. Nach der Expansion des Mediums in der Turbine 10 tritt das Antriebsmedium über zwei Ausläufe 20 und 22 aus, und wird zwei zwischengeschalteten Kondensationseinrichtungen 16 und 18 zugeführt. Obwohl nur eine Doppelturbine mit zwei Ausläufen in Fig. 1 angedeutet ist, kann für das Kühlsystem auch eine Einfachturbine mit einer Vielzahl von Ausläufen Verwendung finden bzw. eine beliebige Kombination der beiden Turbinenarten vorgesehen sein. In der Darstellung wurde eine Doppelturbine 10 gezeigt, da größere Kraftwerkanlagen in der Regel solche Turbinen mit einem Niederdruckteil und einem vorgeschalteten Hochdruckteil verwenden.

Das Kondensat der zwischengeschalteten Kondensations einrichtung 16 des Niederdruckteils wird vorzugsweise der zwischengeschalteten Kondensationseinrichtung 18 zugeführt und in dem vom Hochdruckteil kommenden Abdampf versprüht. Da die Turbine 10 in geeigneter Weise ausgelegt ist,um an den beiden Ausläufen 20 und 22 Abdampf mit unterschiedlichem Druck abzugeben, ergibt sich eine wesentlich bessere Kreislaufeffizienz im Vergleich mit einer Turbine, welche nur einen

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einzigen Auslauf hat. Die Leitungsführung für das Niederdruckkondensat kann derart sein, daß dieses entweder in die Kondensations einrichtung 18 gepumpt wird, oder die Kondensationseinrichtung 16 der Niederdruckseite über der Kondensations einrichtung 18 der Hochdruckseite angeordnet wird, so daß das Kondensat aufgrund der Schwerkraft in die Kondensationseinrichtung 18 läuft. Dieses der Kondensationseinrichtung 18 auf der Hochdruckseite zugeführte Niederdruckkondensat" bewirkt eine Kondensation eines Teiles des der Kondensationseinrichtung 18 zugeführten Dampfes, womit die Wärmebelastung dieser Kondensationseinrichtung und damit die der Wärmeübertragung dienenden Oberflächen reduziert wird. Das von der Kondensationeinrichtung 18 abgegebene Kondensat wird über eine Leitung 26 einer Speisewasserpumpe 28 und von dieser aus über eine Leitung 30 dem Verdampfer bzw. Dampfgenerator 12 zugeführt. Das nach diesem Kühlschema erhaltene Kondensat hat eine verhältnismäßig hohe Temperatur, so daß im Verdampfer bzw. Dampfgenerator 12 eine entsprechend geringere Energiezufuhr für die erneute Verdampfung des Kondensats notwendig ist.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei der das Kondensat von den Kondensations einrichtungen 16 und 18 über Leitungen 24* und 26 zur Speisewasserpumpe 28 abgeführt wird. Das sich dabei vermischende Kondensat wird dann über die Leitung30 zurück zum Dampfgenerator gespeist. Die Führung des Kondensats von der Speisewasserpumpe zum Dampfgenerator wird nicht näher erläutert, da sie nicht als Teil der Erfindung angesehen wird.

Die Verwendung von Zonenkondensatoren oder Mehrfach-Druckkondensatoren wie z.B. die zwischengeschalteten Kondensationseinrichtungen 16 und 18 in Verbindung mit Turbinen, die eine Vielzahl von Ausläufen haben, bringt eine Verbesserung der Kreislaufeffizienz für das Kraftwerk gegenüber solchen Anlagen, die nur eine mit einer Druckstufe arbeitende Kondensations einrichtung verwenden, die einen wirksamen

• 909812/0988 _{oberflächenberelch}

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Oberflächenbereich gleich dem der Mehrfach-Druckkondensatoren hat. Obwohl in den Darstellungen der Fig. 1 und 2 Kondensationseinrichtungen 16 und 18 als separate Komponenten dargestellt sind, können diese auch als separate Zonen in einem einzigen Kessel aufgebaut sein, die durch entsprechende Trennwände voneinander getrennt sind. Im Innern der Kondensations einrichtungen 16 und 18 sind wärmeabsorbierende Teile 32 und 34,z. B. in Form von Wärmeaustauschern, angebracht, über welche ein Kühlmittel geführt wird, das die durch Kondensation abgeleitete Wärme aus dem ersten Kreislauf abführt.

Das in den einzelnen Kondensationseinrichtungen verwendete Kühlmittel ist bezüglich der Phasenänderungs eigenschaften auf gemäßigte mittlere Temperaturen eingestellt. Derartige Kühlmittel können z.B. aus NH ,

SO oder fluorierten Kohlenwasserstoffen usw. bestehen. Die Wärmeaustauscher 32 und 34 stehen in Verbindung mit Kühlkondensatoren 36 und 38 und bilden mit diesen zusammen einen eigenen separaten Kühlkreis. Die Kühlmittel und der Druck in den Kühlkreisen werden so ausgewählt, daß die Temperatur im Arbeitskreislauf und der Druck auf vorgegebenen Niveaus gehalten werden, indem eine Phasenänderung vom flüssigen zum dampfförmigen Zustand bzw. vom dampfförmigen zum flüssigen Zustand stattfindet. Das Kühlmittel wird durch die Kühlkreise mit Hilfe von Kühlmittelpumpen transportiert, auf welche jedoch verzichtet werden kann, wenn der Wärmedruck ausreicht, um die Reibungsverluste in den einzelnen Kühlkreisen zu überwinden.

In Fig. 3 ist ein Kühlsystem gezeigt, bei dem das kompressible Medium nach der Expansion in der Turbine 10 den Kühlkondensatoren 36 und 38 direkt zugeführt wird, die in einem Kühlturm 44 angeordnet sind. Dabei ist der eine Kühlkondensator an den Niederdruckauslauf 20 und der andere Kühlkondensator an den Hochdruckaus lauf 22 der Doppelturbine 10 angeschlossen. Die Kühlkondensatoren 36 und 38 bestehen aus einer großen Anzahl dünnwandiger Rohre, welchen das kompressible Medium über die Leitungen 24 und 26 zugeführt wird. Das Niederdruckkondensat vom

909B12/0S88 Kühlkondensator

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Kühlkondensator 36 wird über eine Leitung 37 zurückgeführt und mit dem vom hochdruckseitigen Auslauf 22 kommenden kompressiblen Medium in der Leitung 26 vermischt und zusammen mit diesem durch den Kühlkondensator 38 geführt. Bei dieser Art der Leitungsführung können zur Aufrechterhaltung der Strömung Pumpen Verwendung finden, jedoch ist es auch möglich, den Kreislauf so zu führen, daß die Strömung durch das Eigengewicht des Mediums aufrechterhalten wird. Durch das Mischen des Niederdruckkondensats mit dem höchdruckseitig zur Verfügung stehenden kompressiblen Medium wird die Wärmebelastung einerseits und der Bedarf an Wärmeaustauschflächen andererseits im Kühlkondensator 38 verringert.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Mischung der kondensierten kompressiblen Flüssigkeit nach den Kühlkondensatoren 36 und 38 bevor dieses mit Hilfe der Speisewasserpumpe 28 zum Dampfgenerator zurückgeführt wird.

Die Kühlkondensatoren 36 und 38, die die Wärme abführen, sind in einem Trockenkühlturm 44 angeordnet, welche selbstventilierend oder mit einer Zwangsluftströmung aufgebaut sein können. Die kühle Luft tritt an der Unterseite A des Kühltürms 44 ein und strömt zunächst am Kühlkondensator 36 und anschließend am Kühlkondensator 38 vorbei, um am oberen Ende B des Kühlturmes mit erhöhter Temperatur auszutreten. Durch das Anordnen des Kühlkreises mit dem niedrigeren Temperaturniveau vor dem Kühlkreis mit dem höheren Temperaturniveau erhält man eine optimale Wärmeabgabe und damit einen optimalen Wirkungsgrad bei dem geringstmöglichen Aufwand an Installationen.

Durch die Verwendung einer Vielzahl von Kühlkondensatoren für die Wärmeabgabe im Kühlturm, wobei die Kühlkondensatoren mit den höheren Arbeitstemperaturen über den Kühlkondensatoren mit den geringeren Arbeitstemperaturen(bezogen auf die erläuterte Strömungsrichtung im Kühlturm)angeordnet sind, werden die Gesamtkosten für eine solche

909812/0988 Anlage

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Anlage wesentlich verringert und auch eine wesentlich geringere Pumpenergie für das Umwälzen der Kühlmittel benötigt. Schließlich läßt sich auch das Entstehen von Dampfwolken am Kühlturm vermeiden, wobei keine besonderen Anforderungen an das Kühlmittel zu stellen sind. Obwohl nur zwei Kühlkondensatoren dargestellt wurden, ist es selbstverständlich, daß eine beliebige Anzahl von Kühlkondensatoren Verwendung finden kann, was auch für die zwischengeschalteten Kondensationseinrichtungen und die dadurch gebildeten Sekundärkühlkreise gilt.

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-At-

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Trockenkühlsystem für Kraftwerkanlagen mit einem Dampfgenerator, einem kompressiblen Medium zum Antrieb einer Turbine, welche eine Vielzahl von Ausläufen hat, durch die das Antriebsmedium mit unterschiedlichem vorgegebenen Druck sowie unterschiedlicher Temperatur ausströmt und mit einem Luft als Kühlmittel verwendenden Kühlturm, dadurch gekennzeichnet

- daß den einzelnen Ausläufen (20, 22) der Turbine (10) Kühlkondensatoren (36, 38) zugeordnet sind, die sich im Kühlturm (44) befinden, und

- daß das von den Kühlkondensatoren (36, 38) kommende Kondensat zum Dampfgenerator zurückfließt.
2. Trockenkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

- daß zwischen die Turbine (10) und die Kühlkondensatoren (36, 38) weitere Kondensationseinrichtungen (16, 18) zur Ausbildung von

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ORIGINAL INSPECTED

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Sekundärkühlkreisen geschaltet sind,

- daß jede weitere Kondensations einrichtung (16 bzw. 18) über einen Wärmetauscher (32 bzw. 34) an den zugeordneten Kühlkondensator (36 bzw. 38) angeschlossen ist, und

- daß jeder Sekundärkreis einem Turbinenauslauf mit vorgegebenen Druck und vorgegebener Temperatur zugeordnet ist.
3. Trockenkühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet

- daß die Kühlkondensatoren (36, 38) im Kühlturm (44) in Serienschaltung angeordnet sind, und

- daß die vom Kühlmittel mit zunehmender Temperatur durchflossenen Kühler jeweils im Kühlluftstrom entsprechend zunehmender Temperatur angeordnet sind.
4. Trockenkühlsystem, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet

- daß das Kühlmittel im Wärmeaustauscher verdampft und im zugeordneten Kühlkondensator kondensiert.
5. Trockenkühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet

- daß die Einstellung des Kühlmittels bezüglich der Änderung der Phase mit Hilfe des Druckes erfolgt.
6. Trockenkühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet

- daß in den einzelnen Sekundär kühlkreis en Kühlmittel Verwendung finden, für welche die Änderung der Phase vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und zurück an die Arbeitstemperatur des Kühlkreises angepaßt ist.
7. Trockenkühlsystein nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß das kompressible Medium vom nieder druckseitigen Teil der Kondensationseinrichtungen in den hochdruckseitigen Teil derselben eingeleitet wird.

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8. Trockenkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Vielzahl von Kühlkondensatoren im Kühlturm in separaten Abschnitten angeordnet ist, wobei jeder einzelne Abschnitt einem Turbinenauslauf zugeordnet ist.
9. Trockenkühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kühlkondensatoren im Kühlturm in Serie geschaltet sind, und

- daß die Abschnitte der Kühlkondensatoren, die vom Kühlmittel mit zunehmend ansteigender Temperatur durchflossen werden, sich im Kühlturm in Bereichen befinden, bei denen die Kühlluft entsprechend zunehmend erwärmt ist.
10. Trockenkühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß der dem niederdruckseitigen Turbinenauslauf zugeordnete Kühlkondensator auslaufseitig an den Eingang des dem hochdruckseitigen Turbinenauslauf zugeordneten Kühlkondensator angeschlossen ist.

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