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Industrie-Dampfkraftanlage
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Die Erfindung hezieht sich auf eine Industrie-Dampfkraftanlage, bei
der die Vorwärmung der Verbrennungsluft des befeuerten Dampfkessels bzw. der befeuerten
Dampfkessel durch nachträglich installierte Einrichtungen in zwei oder mehreren
Vorwärmstufen durch Entnahmedampfströme aus der Dampfturbine bzw. den Dampfturbinen
erfolgt.
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Es gibt in vielen Industriekraftwerken und Heizkraftwerken Dampfkessel
(Wasserrohrkessel) die keine Vorwärmung der Verbrennungsluft aufweisen. Bei diesen
Dampfkesseln erfolgt die Einspeisung des Speisewassers mit einer Temperatur von
100 - 105 OC, wodurch noch eine ausreichend tiefe Abgastemperatur des Kessels erreichbar
ist (Abgastemperatur beträgt ca. 140 OC).
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Bei diesen Industrie-Dampfkraftanlagen bietet sich nun die Möglichkeit,
durch die nachträgliche Installation von entnahmedampfbeheizten Verbrennungsluftvorwärmern
zusätzliche elektrische Energie mit dem Wirkungsgrad "Eins" zu erzeugen.
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Da in letzter Zeit die Strompreise im Zuge der Energiekrise beachtlich
gestiegen sind, sollten die Industrieunternehmen die Nutzung einer solch vorteilhaften
Stromerzeugungsmöglichkeit in Betracht ziehen.
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Auch bringt die zusätzliche Erzeugung von eleketrischer Energie mit
dem Wirkungsgrad "Eins" eine Entlastung der Umwelt von Schadstoffen (SO2, NOx, Schwermetallen)
und Abwärme. (Bekanntlich wird in konventionellen Kondensationskraftwerken die elektrische
Energie mit einem Wirkungsgrad von ca. 0,4 erzeugt, was eine enorme Steigerung der
Umweltbelastung bedeutet.) Die hier erfindungsmäßig vorgeschlagene technische Maßnahme
ermöglicht also nicht nur die zusätzliche Erzeugung -von billigem elektrischen Strom,
sondern hat auch Bedeutung als Beitrag zum Schutze der Umwelt.
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Zur Erreichung des vorgenannten Zieles wird eine konventionelle Dampfkraftanlage
vorgeschlagen, die aus einem oder mehreren befeuerten Dampfkesseln, einem oder mehreren
Dampfturbosätzen mit elektrischen Generatoren, wenigstens einem Speisewasserbehälter,
Kondensatpumpen, Speisepumpen sowie wasser- und dampfseitigen Verbindungsleitungen
besteht, die ursprünglich ohne Vorwärmung der Verbrennungsluft betrieben wurde und
die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mit nachträglich installierten
Einrichtungen zur Vorwärmung der Verbrennungsluft ausgerüstet ist, durch welche
während des Betriebes die Verbrennungsluft des Dampfkessels bzw der Dampfkessel
in zwei oder mehreren Stufen durch Entnahmedampfströme aus der Dampfturbine bzw.
den Dampfturbinen vorgewärmt sind Es ist unmittelbar einzusehen, daß die von den
Entnahmedampfströmen bei der vorausgehenden Expansion in der Dampfturbine bzw in
den Dampfturbinen produzierte elektrische Energie mit dem Wirkungsgrad nEins erzeugt
wird, da die Wärmeinhalte der Entnahmedampfströme über die Verbrennungsluft in den
Dampfkessel bzw in die Dampfkessel rückgeführt und dort wieder zur Dampferzeugung
verwendet werden Es entfällt also für diese Entnahmedampfströme jener Wärmeverlust,
der bei dem übrigen Dampf im Kondensator an das Hauptkühlwasser abgegeben wird Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind einem Verbrennungsluftgebläse (Frischluftgebläse)
zwei oder mehrere entnahmedampfbeheizte Verbrennungsluftvorwärmer in der Weise zugeordnet,
daß sie frischluftseitig vor dem Verbrennungsluftgebläse und/oder zwischen dem Verbrennungsluftgebläse
und den Brennern bzw dem Rost des zugehörigen Dampfkessels angeordnet sind und einen
Teil der Verbrennungsluftleitung bilden Es können auch zwei oder mehreren Verbrennungsluftgebläsen
zwei oder mehrere entnahmedampfbeheizte Verbrennungsluftvorwärmer in der Weise zugeordnet
sein, daß sie frischluftseitig vor den Verbrennungsluftgebläsen und/oder zwischen
den Verbrennungsluftgebläsen und den Brennern bzw dem Rost des zugehörigen Dampfkessels
angeordnet sind und einen Teil der Verbrennungsluftleitung(en) bilden
Sind
die Verbrennungsluftvorwärmer eindeutig einem Verbrennungsluftgebläse zugeordnet,
so ist der dem Verbrennungsluftgebläse frischluftseitig benachbarte Verbrennungsluftvorwärmer
mit Entnahmedampf von niedrigstem Druck beheizt. Dabei ist der den Brennern bzw.
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dem Rost des Dampfkessels frischluftseitig benachbarte Verbrennungsl
rwArmer mit Entnahmedampf von höchstem Druck beheizt.
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Zur Vereinfachung der entnahmedampfseitigen Schaltung wird das Heizkondensat
eines Verbrennungsluftvorwärmers während des Betriebes über wenigstens eine Kondensatleitung
mit Kondensatarmatur (Kondenskopf, Kondensomat) in den Dampfraum des benachbarten
und mit Entnahmedampf niedrigeren Druckes beheizten Verbrennungsluftvorwärmers geleitet.
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Die entnahmedampfbeheizten Verbrennungsluftvorwärmer weisen in an
sich bekannter Art kreiszylindrische drucktragende Gehäuse mit integrierten Geradrohrbündeln
auf, wobei während des Betriebes die Verbrennungsluft innerhalb der Wärmetauscherrohre
der Geradrohrbündel strömt und die Rohre außen von Entnahmedampf beaufschlagt sind.
Dies ermöglicht eine einfache Fertigung und gibt einen geringen verbrennungsluftseitigen
Druckverlust.
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Die einem Verbrennungsluftgebläse zugeordneten Verbrennungsluftvorwärmer
sind koaxial oder annähernd koaxial hintereinander angeordnet und die Flansche ihrer
drucktragenden Gehäuse sind miteinander verschraubt. Dies gibt eine platzsparende
und selbsttragende Konstruktion Die einem Verbrennungsluftgebläse zugeordneten Verbrennungsluftvorwärmer
weisen auch gleiche oder annähernd gleiche Durchmesser ihrer drucktragenden Gehäuse
auf, was eine besonders einfache Anordnung ermöglicht.
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Wird die Industrie-Dampfkraftanlage vorwiegend im Teillastbereich
betrieben, so genügt für die vorbeschriebene zusätzliche Erzeugung von elektrischer
Energie mit dem Wirkungsgrad ins" eine Nachrüstung mit entnahmedampfbeheizten Verbrennungsluftvorwärmern,
was verhältnismäßig kostengünstig ist. Denn bei Teillast können die zusätzlichen
Entnahmedampfmengen für die Verbrennungsluftvorwärmer ohne weiteres in der vorhandenen
Entnahme-Kondensationsturbine bzw.
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in den vorhandenen Entnahme-Kondensationsturbinen expandieren, bevor
sie die Verbrennungsluft vorwärmen. (Auch die Leistungskapazität des el. Generators
bzw. der el. Generatoren reicht aus.) Wird hingegen die Industrie-Dampfkraftanlage
vorwiegend mit Vollast betrieben, so ist sie bei der Umstellung auf Verbrennungsluftvorwärmung
zusätzlich zu der vorhandenen Entnahme-Kondensationsturbine bzw. zusätzlich zu den
vorhandenen Entnahme-Kondensationsturbinen mit wenigstens einer nachträglich installierten
Gegendruck-Dampfturbine auszurüsten.
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Dies erfordert zwar einen zusätzlichen Aufwand an Kosten, bringt
aber gleichzeitig zwei wesentliche Vorteile: Erstens kann die Gegendruck-Dampfturbine
mit mehr Entnahmestellen für den Anzapfdampf ausgestattet werden, als an der Entnahme-Kondensationsturbine
bzw. an den Entnahme-Kondensationsturbinen meist vorhanden sind. Dadurch ist es
möglich, die Verbrennungsluft höher vorzuwärmen und so auch die Erzeugung an zusätzlicher
elektrischer Energie weiter zu steigern. Besitzt z. B. die Entnahme-Kondensationsturbine
eine oberste Entnahmestelle für 4 bar, so kann der oberste Entnahmedruck an der
Gegendruck-Dampfturbine 20 oder 25 bar betragen.
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(Dieser Wert ist in Zusammenhang mit der Höhe des Frischdampfdruckes
zu wählen.) Zweitens ist es bei Anschaffung einer Gegendruck-DampEturbine möglich,
das gesamte System der entnahmedampfseitigen VerbrennungsluftvorwArmung von den
bereits vorhandenen Anlagenteilen besser zu trennten. Dies reduziert vor allem die
notwendige Vermaschung zwischen dem vorhandenen und dem neuen Rohrsystem. Dadurch
kann in weiterer Folge auch die Stillstandszeit reduziert werden, die für die Industrie-Dampfkraftanlage
zwecks Installation der Verbrennungsluftvorwärmeinrichtungen erforderlich ist.
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Auch sind Leistung und Abmessungen der Gegendruck-Dampfturbine im
Vergleich zu den ananlogen Daten der Entnahme-Kondensationsturbine(n) nur kleine
Durch die Wahl einer Gegendruck-Dampfturbine ergibt sich auch der besondere Vorteil,
daß für diese weder ein Kondensator mit Kühlwasserversorgungseinrichtungen noch
Kondensatpumpen und Kondensatleitungen erforderlich sind Die Gegendruck-Dampfturbine
ermöglicht es, daß wenigstens ein den Brennern bzw. dem Rost des Dampfkessels luftseitig
benachbarter Verbrennungsluftvorwärmer während des Betriebes durch Entnahmedampf
aus dieser Turbine beheizt wird. (Dadurch steigt der Anteil an zusätzlich erzeugter
elektrischer Energie.) Vorzugsweise wird man aber alle Verbrennungsluftvorwärmer
des Dampfkessels bzw. der Dampfkessel während des Betriebes durch Entnahmedampfströme
unterschiedlicher Druckstufen aus der Gegendruck-Dampfturbine beheizen.
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Wenn die Industrie-Dampfkraftanlage vorwiegend mit Vollast betrieben
wird, ist es bei der Umstellung auf entnahmedampfbeheizte Verbrennungsluftvorwärmung
auch notwendig, die Nenndampfleistung des Kessels bzw. der Kessel - geringfügig
- zu erhöhen.
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Da bei höheren Endtemperaturen der Verbrennungsluftvorwärmung (zi
B 200 bC) ein Austausch der Brenner ohnehin notwendig ist, kann dabei auch dieser
Forderung entsprochen werden.
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Einen unzulässigen Anstieg der Kesselabgastemperatur wird man durch
eine Vergrößerung des Speisewasservorwärmers verhindern.
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In Sonderfällen - bei Entnahmedampfdrücken von mehr als 20 bar und
bei sehr großen Dampfkesseln - können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
in vorteilhafter Weise ein oder mehrere entnahmedampfbeheizte Verbrennungsluftvorwärmer
als Doppelrohr-Wärmetauscher ausgebildet sein, an denen während des Betriebes die
Außenflächen der Außenrohre und die Innenflächen der Innenrohre (der Doppelrohre)
von Verbrennungsluft bestrichen und die Zwischenräume der Doppelrohre mit Heizdampf
gefüllt sind.
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Die benötigten Heizflächenabmessungen der Verbrennungsluftvorwärmer
sind verhältnismäßig groß, da die Verbrennungsluft möglichst nahe an die Temperaturen
der kondensierenden Entnahmedämpfe aufgeheizt werden soll.
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Um die Heizflächengrößen zu reduzieren, sind nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung die Verbrennungsluftvorwärmer so ausgelegt, daß während des
Betriebes bei Nennlast des Kessels der verbrennungsluftseitige Druckverlust in allen
Verbrennungsluftvorwärmern zusammen wenigstens 0,05 bar, vorzugsweise aber ca. 0,1
bar beträgt.
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Der höhere Bedarf des Frischluftgebläses an Antriebsleistung ist
deswegen akzeptabel, weil diese Antriebsleistung mit der Verbrennungslust als Wärmeenergie
wieder in den Dampfkessel zurückgeführt wird.
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Eine Reduzierung an Platzbedarf, Gewicht und Kosten der Verbrennungsluftvorwärmer
ist auch dadurch erreichbar, daß die Rohre von deren Geradrohrbündeln mit kleinen
Durchmessern (10 - 15 mm) und geringer Wandstärke (ca. 1 mm) ausgeführt werden.
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Es können neue Industrie-Dampfkraftanlagen errichtet werden, die
die erfindungsgemäßen technischen Merkmale aufweisen.
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In den Zeichnungen sind zwei Schaltschemata der neuen Industrie-Dampfkraftanlage
sowie die Anordnung und Ausführung der entnahmedampfbeheizten Verbrennungsluftvorwärmer
beispielhaft dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Schaltschema der ersten Ausführungsform der
Industrie-Dampfkraftanl ag e.
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Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt durch ein Verbrennungsluftgebläse
mit vier nachgeschalteten Verbrennungsluftvorwärmern nach der Linie A - B in Fig.
3.
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Fig. 3 einen Achsnormalschnitt durch einen Verbrennungsluftvorwärmer
nach der Linie C - D in Fig. 2.
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Fig. 4 ein Schaltschema der zweiten Ausführungsform der Industrie-Dampfkraftanlage.
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Bei der im ersten Schaltschema in Fig. 1 dargestellten Industrie-Dampfkraftanlage
ist der öl/gasgefeuerte Dampfkessel 1 als Turmkessel (Einzugskessel) mit aufgesetztem
Kamin 2 ausgebildet.
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An der Stirnseite der Kesselbrennkammer 3 sind die Brenner 4 und
das Luftgeschränk 4 a angeordnet.
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Über der Kesselbrennkammer 3 ist ein Überhitzer 5 und ueber diesem
ein Speisewasservorwärmer 6 angeordnet. Die Kessel trommel 7 ist an der Kesselrückseite
aufgehängt.
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Vom Austrittssammler 8 des Überhitzers 5 führt die Frischdampfleitung
9 zu 1: Es zur Entnahme-Kondensationsturbine 10, die den elektr Generator 10 a treibt
und deren Abdampf in einem Kondensator 11 niedergeschlagen wird.
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Die Kondensatpumpen 12 fördern das Kondensat aus dem Kondensator
11 durch die Kondensatleitung 13 und über den Oberflächenkondensatvorwärmer 14 in
den Speisewasserbehälter 15.
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Aus dem Speisewasserbehälter 15 wird das Speisewasser von den Speisepumpen
16 durch die Speiseleitung 17 zum Eintrittssammler 18 des Speisewasservorwärmers
6 gefördert.
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Dem Verbrennungsluftgebläse 19 (Frischluftgebläse) mit Antriebsmotor
19 a sind luftseitig die entnahmedampfbeheizten Verbrennungsluftvorwärmer 20, 21,
22 und 23 nachgeschaltet, durch welche die Frischluft zu den Brennern 4 strömt.
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Von der Entnahme-Kondensationsturbine 10 zweigen die Dampfentnahmeleitungen
24, 25 und 26 ab.
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Die Dampfentnahmeleitung 24 führt den Heizdampf niedrigsten Druckes
zum Oberflächenkondensatvorwärmer 14 und zum Verbrennungsluftvorwärmer 20 Die Dampfentnahmeleitung
25 führt den Heizdampf mittleren Druckes zum Entgaser des Speisewasserbehalters
15 und zum Verbrennungsluftvorwärmer 21.
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Die Dampfentnahmeleitung 26 führt den Heizdampf höchsten Druckes
zum Heizdampfverbraucher 27 und zum Verbrennungsluftvorwärmer 22.
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Weiters ist eine - im Zuge der Umstellung auf Verbrennungsluft-Vorwärmung
installierte - Gegendruck-Dampfturbine 28 vorgesehen-, die von der Frischdampfleitung
9 angespeist wird und die den Elektrogenerator 28 a antreibt.
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Die Austrittsleitung 29 der Gegendruck-Dampfturbine 28 mündet in
die Dampfentnahmeleitung 24 der Entnahme-Kondensationsturbine 10.
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Die Entnahmeleitung 30 der Gegendruck-Dampfturbine 28 mündet in die
Dampfentnahmeleitung 25 der Entnahme-Kondensationsturbine 10 und die Entnahmeleitung
31 in die Dampfentnahmeleitung 26.
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Die Entnahmeleitung 32 der Gegendruck-Dampfturbine 28 führt Heizdampf
zum Verbrennungsluftvorwärmer 23. Der Druck dieses Heizdampfes liegt über dem Dampfdruck
in der Dampfentnahmeleitung 26 und ermöglicht so eine zusätzliche Vorwärmung der
Verbrennungsluft und damit eine zusätzliche Erzeugung von elektrischer Energie mit
dem Wirkungsgrad "Eins".
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Wird die Industrie-Dampfkraftanlage vorwiegend mit Teillast betrieben,
so kann die nachträgliche Anschaffung der Gegendruck-Dampfturbine 28 entfallen.
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In dem in Fig. 2 gezeigten vertikalen Längsschnitt durch das Verbrennungsgebläse
19 und die Verbrennungsluftvorwärmer 20, 21, 22 und 23 sowie im Querschnitt Fig.
3 sind folgende Details dargestellt: Jeder Verbrennungsluftvorwärmer 20, 21, 22
und 23 besteht aus einem drucktragenden, kreiszylindrischen Gehäuse 20 a, 21 a,
22 a und 23 < sowie einem Geradrohrbündel 20 h, 21 b, 22 b und 23 h, dessen Rohre
in die zugehörigen zwei Stirnwände eingewalzt bzw. eingeschweißt sind und während
des Betriebes innen von der Verbrennungsluft durchströmt und außen vom Heizdampf
beaufschlagt werden.
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Die Verbrennungsluftvorwärmer 20, 21, 22 und 23 sind koaxial hintereinander
angeordnet und mit den Flanschen ihrer drucktragenden Gehäuse 20 a, 21 a, 22 a und
23 a miteinander verschraubt. Die drucktragenden Gehäuse 20 a, 21 a, 22 a und 23
a weisen gleiche Durchmesser auf.
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Die Abfuhr des Heizkondensates aus einem VerbrellrltlngsluELvorwärmer
erfolgt je Uber eine Kondensatleitung 33 mit Kondensatarmatur 34 in den Dampfraum
des benachbarten Verbrennungsluftvorwärmers, in dem ein niedrigerer Dampfdruck herrscht.
(z. B. aus dem Verbrennungsluftvorwärmer 23 in den Dampfraum des Verbrennungsluftvorwärmers
22.) Bei der im zweiten Schaltschema in Fig. 4 dargestellten Industr Dampfkraftanlage
führt die Austrittsleitung 29' der Gegendruck-Dampf turbine 28 zum Verbrennungsluftvorwärmer
20 und die Entnahmeleitungen 30', 31' und 32' zu den Verbrennungsluftvorwärmern
21, 22 und 23 Dadurch ist eine Vermaschung der Entnahmeleitungen 30' und 31' mit
den Dampfentnahmeleltungen 25 und 26 der Entnahme-Kondensationsturbine 10 vermieden.
(Auch die Vermaschung der Leitung 29' mit der Dampfentnahmeleitung 24 ist vermieden.)
Die Positionsnummern in Fig. 4 stimmen mit den Positionsnummern in Fig. 1 überein,
da die gekennzeichneten Komponenten dieselben sind.
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Die hier beschriebene Art der Verbrennungsluftvorwärmung kann auch
in bestehenden Heizkraftwerden oder in hestehenden Industrie-Dampfkraftanlagen mit
Flammrohrkesseln zur Ausführung gelangen.
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In gewissen Fällen kann sie auch bei neu zu errichtenden Industrie-Dampfkraftanlagen
angewendet werden.
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Die Größe der in einer Industrie-Dampfkraftanlage durch Installation
einer Verbrennungslustvorwärmanlage der vorbeschriebenen Art jährlich erzeugbaren
zusätzlichen elektrischen Energie ist abhängig von der Nenndampfleistung des Kessels,
von der jährlichen Betriebsstundenzahl und den dabei auftretenden Teil lasten, von
der Höhe des Frischdampfdruckes und der Frischdampfüberhitzung und von der Höhe
der Verbrennungsluftvorwärmung.
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Für die Wirtschaftlichkeit sind überdies Strompreis und Brennstoffpreis
wesentlich. Bei den heute gegebenen Strom- und Brennstoffpreisen amortisieren sich
die für die Nachrüstung erforderlichen Investitionen - besonders bei Inanspruchnahme
staatlicher Finanzhilfen zur Energieeinsparung - innerhalb von einigen Jahren.