DE3726786A1 - Anlage mit heizkraftwerk und angeschlossenem fernwaermenetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einem Heizkraftwerk mit einem daran angeschlossenen Fernwärmenetz, wobei das Heizkraftwerk mit einer Gegendruckturbine und einem dieser abdampfseitig nachgeschalteten Heizkondensator versehen und in das Vorlauf und Rücklauf aufweisende Fernwärmenetz ein Wasservorratsbehälter eingeschaltet ist.

Ein wesentlicher Nachteil bekannter derartiger Anlagen besteht darin, daß die Turbinen für die Erzeugung elek­ trischer Energie nur innerhalb enger Grenzen unabhängig von der Wärmeabnahme im Fernwärmenetz betrieben werden können, obwohl in vielen Fällen der Bedarf besteht, mehr elektri­ sche Energie zu erzeugen, ohne zugleich eine entsprechende zusätzliche Wärmemenge an das Fernwärmenetz abgeben zu können.

Die vorerwähnte, nur innerhalb sehr enger Grenzen gegebene Unabhängigkeit der Erzeugung elektrischer Energie von der Wärmeabnahme wird bei bekannten Anlagen dadurch erreicht, daß der Rücklauf der Fernheizung unter die übliche Rück­ lauftemperatur gekühlt wird, so daß entsprechend mehr Wärme erforderlich ist, um das Wasser aus dem Rücklauf auf die für den Vorlauf erforderliche Temperatur zu erwärmen. Die dafür notwendige größere Wärmemenge ermöglicht die Er­ zeugung einer entsprechend größeren Menge an elektrischer Energie, da die quantitative Zuführung von Wärme in den Heizkondensator ausschließlich über die Dampfmenge geregelt wird. Entsprechendes gilt auch für die Möglichkeit, die Vorlauftemperatur im Heizkondensator über den Soll-Wert zu erhöhen, wobei dann zur Erzielung der üblichen Vorlauftem­ peratur eine Herabsetzung der Temperatur des aus dem Heizkondensator kommenden Wassers erforderlich ist.

Zur Durchführung der beiden vorgenannten betrieblichen Maßnahmen dient Kühlwasser aus dem Wasservorratsbehälter. Im ersten der beiden Fälle wird es zur Reduzierung der Rücklauftemperatur verwendet. Dies kann über einen in den Rücklauf eingeschalteten Wärmetauscher geschehen, der von aus dem Wasservorratsbehälter abgezogenen kaltem Wasser durchflossen wird. Es ist auch möglich, das aus dem Vorratsbehälter stammende kalte Wasser direkt in einer dem gewünschten Ausmaß der Temperaturreduzierung entsprechenden Menge in den Rücklauf einzuführen. Im zweiten Fall wird das im Vorlauf befindliche, eine oberhalb der Soll-Temperatur liegende Temperatur aufweisende Wasser durch das kalte Wasser aus dem Vorratsbehälter auf die Soll-Temperatur heruntergekühlt, wobei dies ebenfalls über einen Wärme­ tauscher oder durch direkte Einführung kalten Wassers in den Vorlauf erfolgen kann.

Bei Kühlung des im Vorlauf und/oder Rücklauf befindlichen Wassers unter Verwendung eines Wärmetauscher wird das aus dem Vorratsbehälter kommende Wasser nach Passieren des Wärmetauschers wieder in den Vorratsbehälter zurückgeführt. Entsprechendes gilt, wenn das Kühlwasser direkt in den Rücklauf und/oder Vorlauf gegeben wird, da bei einer bestimmten im Netz befindlichen Wassermenge, normale Betriebsbedingungen vorausgesetzt, zusätzliches Wasser nur in das Netz eingeführt werden kann, wenn gleichzeitig eine entsprechende Wassermenge aus dem Netz herausgeführt wird. Da die im Vorratsbehälter befindliche Wassermenge ein bestimmtes Maximalvolumen nicht überschreiten kann, besteht die Möglichkeit der Erzeugung elektrischer Energie unab­ hängig von der Wärmeabnahme nur solange, wie kaltes Wasser aus dem Vorratsbehälter zur Verfügung steht. Da der darin befindliche Wasservorrat zwangsläufig begrenzt ist, kann, wie einleitend erwähnt, die Erzeugung elektrischer Energie nur innerhalb der durch den Wasservorrat gegebenen Grenze unabhängig von der Wärmeabnahme im Heizungsnetz erfolgen.

Es besteht zwar die Möglichkeit, dieser zeitlichen Begrenzung durch Verwendung von Oberflächenwasser, also beispielsweise des Wassers eines Flusses, zu entgehen. Dadurch werden jedoch zusätzliche Aufwendungen, insbeson­ dere zum Reinigen des Wassers erforderlich. Außerdem würde die unvermeidbare Erhöhung der Temperatur des Oberflächen­ wassers zu Beeinträchtigungen der Umwelt führen. Uberdies wird in vielen Fällen Oberflächenwasser nicht oder nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der einleitend beschriebenen Art mit Mitteln so auszugestalten, daß die Erzeugung elektrischer Energie weitgehend unabhängig von der Wärmeabnahme im Heizungsnetz möglich ist. Zumindest soll die Abhängigkeit der Erzeugung elektrischer Energie von der Wärmeabnahme merklich geringer sein als bei bekannten derartigen Anlagen. Diese Verringe­ rung der Abhängigkeit soll mit einfachen Mitteln erreichbar sein, die zudem überall anwendbar sind , ggf. auch nach­ träglich eingebaut werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Wasservorratsbehälter mit einer Kühleinrichtung versehen ist, durch die die Temperatur des im Wasservor­ ratsbehälter befindlichen Wassers abgesenkt werden kann.

Der durch die Erfindung erreichbare wesentliche Vorteil besteht darin, daß die Anlage über merklich längere Zeiträume betrieben werden kann, ohne daß die Menge der dabei erzeugten elektrischen Energie abhängt von der Wärmeabnahme des Fernwärmenetzes. Zwar tritt durch die intensivere und somit schnellere Kühlung des in den Vorratsbehälter zurückgeführten, warmen Wassers ein Energieverlust ein, da die abgeführte Wärme im Normalfall nicht genutzt werden kann. Trotzdem gibt die Erfindung die Möglichkeit, eine derartige Anlage im Vergleich mit bekann­ ten Anlagen mit einem wesentlich höheren Durchschnitts­ wirkungsgrad zu betreiben. Letzterer wird natürlich unterhalb des bei optimalen Betriebsbedingungen erreich­ baren Anlagen-Wirkungsgrades von 85-90% liegen. Bei typischen Betriebsverhältnissen, die zeitweilig ein Kühlen des rückgeführten Wassers und somit über längere Zeiträume ein Abführen von Wärme über die Kühleinrichtung erforder­ lich machen, lassen sich aber immer noch Wirkungsgrade in der Größenordnung von z. B. 60% erzielen, die merklich über den Wirkungsgraden üblicher Kondensations-Kraftwerke, die etwa 40% betragen, liegen. Im übrigen sieht die Erfindung die Möglichkeit vor, die Kühleinrichtungg so anzuordnen und auszugestalten, daß sie ein- und ausschaltbar ist. Dies kann z. B. unter Verwendung von Ventilatoren geschehen, die Kühlluft durch Kühlflächen strömen lassen, die vom innerhalb des Vorratsbehälters befindlichen erwärmten Wasser durchflossen werden. Die Kühlflächen können dabei in an sich bekannter Weise so ausgestaltet sein, daß sie im Bedarfsfall abgedeckt werden können, um so die Kühlwirkung auf ein Minimum zu verringern. Somit besteht bei entspre­ chenden betrieblichen Voraussetzungen auch die Möglichkeit, die im Wasser des Vorratsbehälters gespeicherte Wärme ggf. wieder in das Fernwärmenetz dann einzuführen, wenn die Wärmeabnahme des Netzes größer ist als dem Bedarf an elektrischer Energie entspricht.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel das Schalt­ schema einer Anlage mit Gegendruckheizkraftwerk und damit verbundenem Fernwärmenetz dargestellt.

Der Gegendruckturbosatz 10 treibt über eine Welle 12 einen Generator 14 zur Erzeugung von elektrischer Energie an. Der über eine Leitung 16 dem Gegendruckturbosatz 10 zugeführte Dampf kann beispielsweise bei einem Druck von 85 bar eine Temperatur von 520°C aufweisen. Der den Gegendruckturbo­ satz 10 über eine Leitung 18 verlassende Abdampf oder zumindest ein wesentlicher Teil desselben wird in einen Heizkondensator 20 geführt, an den Vorlauf 22 und Rücklauf 24 eines Fernwärmenetzes 25 angeschlossen sind. Der Wärme­ tausch im Heizkondensator 20 erfolgt auf indirekte Weise. Das Kondensat des über die Leitung 18 zugeführten Abdampfes wird über eine Leitung 26 rückgeführt.

Dem Fernwärmenetz 25 ist ein Wasservorratsbehälter 28 mit einem Fassungsvermögen von beispielsweise 500-1000 m³ zugeordnet. Der Wasservorratsbehälter 28 ist über eine Leitung 30 mit dem Vorlauf 22 und über eine Leitung 32 mit dem Rücklauf 24 verbunden. In letzteren ist ein zweiter Wärmetauscher 34 eingeschaltet, in welchem ein indirekter Wärmetausch zwischen dem Wasser des Rücklaufs und dem Wasser im Vorratsbehälter 28 stattfindet. Von der Leitung 32, die mit einer Umwälzpumpe 35 für das Wasser im Vorrats­ behälter versehen ist, zweigt eine parallele Leitung 36 ab, die direkt mit dem Rücklauf 24 verbunden ist. Die Zulei­ tung 32 mündet über zwei Zweigleitungen 37, 38 in den Vorratsbehälter 28, von denen die Zweigleitung 37 im oberen Bereich und die Zweigleitung 38 im unteren Bereich des Vorratsbehälters mündet.

An den Wärmetauscher 34 ist ferner eine Rückführleitung 40 angeschlossen, die in die Leitung 30 einmündet, durch welche die Verbindung zwischen Vorratsbehälter 28 und Vorlauf 22 hergestellt werden kann. Zwischen der Mündung der Rückführleitung 40 in die Leitung 30 und dem Vorlauf 22 ist in der Leitung 30 eine Absperrvorrichtung 41 angeord­ net.

Die Leitung 30 mündet ebenfalls über zwei Zweigleitungen 42, 43 in den Vorratsbehälter 28, von denen sich die Zweigleitung 42 im unteren Teil und die Zweigleitung 43 im oberen Teil des Vorratsbehälters 28 befindet. In beide Zweigleitungen 42, 43 ist jeweils eine Absperrvorrichtung 44, 45 eingeschaltet.

Der Vorratsbehälter 28 ist mit einer Kühleinrichtung 48 versehen, die beispielsweise als Kamin 50 ausgebildet sein kann, in dem Kühlflächen 51 angeordnet sind. Diesem Kamin kann ein Lüfter oder dgl. 52 zugeordnet sein, der im Bedarfsfall, d. h., wenn die Flächen 51 und das von ihnen durchströmte heiße Wasser gekühlt werden sollen, in Betrieb gesetzt wird, um einen kontinuierlichen, kühlenden Luft­ strom im Kamin 48 zu erzeugen. Die Kühleinrichtung kann auch in einfacher Weise als ein neben dem Wasservorratsbe­ hälter 28 angeordnetes Gebäude ausgebildet sein, in welchem vom zu kühlenden Wasser durchflossene Leitungen, z. B. in Form von Kühlschlangen, angeordnet sind, die von der zweckmäßig von unten nach oben das Gebäude durchströmenden Kühlluft bestrichen werden.

Die in der Zeichnung dargestellte Anlage kann beispiels­ weise so betrieben werden, daß Wasser über den Einlauf 38 aus dem unteren Bereich des Wasservorratsbehälters 28 entnommen und durch den Wärmetauscher 34 geführt wird. Das im Wärmetauscher 34 erwärmte Wasser wird über die Leitung 40, die Absperrvorrichtung 45 und die Zweigleitung 43 in den oberen Bereich des Wasservorratsehälters 28 zurückge­ führt. Die auf diese Weise im Wärmetauscher 34 bewirkte Herabsetzung der Rücklauftemperatur unter die Soll-Rück­ lauftemperatur macht es erforderlich, im Heizkondensator 20 mehr Wärme aufzubringen, um die normale Vorlauftemperatur zu erreichen. Dies geschieht über den durch die Leitung 18 aus der Gegendruckturbine 10 zugeführten Abdampf, dessen Menge entsprechend erhöht werden muß mit der Folge, daß die Turbine 10 und damit der Generator 14 eine entsprechend größere Leistung abgeben.

Es ist auch möglich, das über die Leitung 32 aus dem Wasservorratsbehälter 28 zugeführte Kühlwasser über die Leitung 36 direkt in den Rücklauf einzuführen. Dabei müßte dann eine entsprechende Menge an Wasser aus dem Vorlauf 22 über die Leitung 30 und die Zweigleitung 43 wiederum in den oberen Bereich des Wasservorratsbehälters zurückgeführt werden. Dazu ist lediglich eine entsprechende Einstellung der Absperrvorrichtungen 54 - in der Leitung 36 - sowie 41 und 45 - in der Leitung 30 - erforderlich.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Wasser für das Fernwärmenetz im Heizkondensator 2 durch Hindurchleiten einer entsprechend größeren Dampfmenge über die Soll- Temperatur des Vorlaufs 22 zu erwärmen und in Strömungs­ richtung hinter dem Heizkondensator über die Leitung 30 kaltes Wasser aus dem Wasservorratsbehälter 28 in den Vorlauf 22 zu geben, um so dessen Temperatur auf den Soll-Wert abzusenken. Dieses Kühlwasser wird über die Zweigleitung 42 dem Wasservorratsbehälters entnommen. Eine entsprechende Wassermenge ist dabei aus dem Rücklauf 24 über die Leitungen 36 und 32 in den oberen Bereich des Wasservorratsbehälters 28 zurückgeführt werden.

Unabhängig davon, wie im einzelnen durch Verwendung des im Wasservorratsbehälter 28 befindlichen Kühlwassers die Temperaturen in Rücklauf und/oder Vorlauf beeinflußt werden, um den Turbosatz 10 ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Wärmeabnahme im Heizungsnetz betreiben zu können, gilt für alle Anwendungsfälle, daß durch die Möglichkeit, das im Wasservorratsbehälter 28 befindliche Wasser durch die Kühleinrichtung zu kühlen, eine merklich größere betriebliche Flexibilität im einleitend beschriebe­ nen Sinne erreichbar ist. Selbstverständlich könnte eine Verringerung der Abhängigkeit zwischen der Erzeugung elek­ trischer Energie einerseits und der Wärmeabnahme im Heizungsnetz andererseits auch durch eine Vergrößerung des Wasservorratsbehälters 28 erreicht werden, da mit zunehmen­ dem Vorrat an Kühlwasser über eine entsprechend längere Zeit die Turbine 10 unabhängig von der Wärmeabnahme betrieben werden und/oder das Ausmaß der Differenz zwischen Abdampfmenge und tatsächlich benötigter Wärme vergrößert werden kann. In der Praxis sind jedoch dem Volumen des Wasservorratsbehälters Grenzen gesetzt. In jedem Fall gilt aber, daß, wenn das Kühlwasser im Wasservorratsbehälter verbraucht, letzterer also vollständig mit rückgeführtem erwärmtem Wasser gefüllt ist, eine Stromerzeugung unab­ hängig vom Wärmebedarf im Fernheizungsnetz nicht mehr möglich ist, solange der Wasservorrat nicht ausgetauscht oder abgekühlt ist. Ein Austauschen kommt aus Kostengründen und auch aus Gründen des Umweltschutzes normalerweise nicht in Frage.

Der durch die Erfindung erzielbare technische Fortschritt wird insbesondere auch dann deutlich, wenn erstere mit einer Anlage verglichen wird, bei welcher eine Kühleinrich­ tung vorgesehen ist, die es ermöglicht, das erwärmte Wasser so schnell in einem solchen Maße abzukühlen, daß eine direkte Rückführung des abgekühlten Wassers aus der Kühleinrichtung in beispielsweise den Wärmetauscher 34 möglich wird. Eine solche Kühleinrichtung könnte beispiels­ weise als Kühlturm mit entsprechend großer Rückkühleistung ausgebildet sein. Hierzu wären entsprechend große Investi­ tionskosten erforderlich, die ohne weiteres das Zehnfache der Kosten ausmachen können, die für die Verwirklichung der Erfindung erforderlich sind. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Kühlleistung einer derarti­ gen Rückkühleinrichtung der zusätzlich aufgewandten thermischen Leistung angepaßt sein müßte, obwohl eine so bemessene Kühleinrichtung nur in jenen Betriebsperioden benötigt wird, in denen die erzeugte elektrische Leistung des Heizkraftwerkes größer ist als der vom Fernwärmenetz abgenommenen Wärmemenge entspricht. Die Anlage gemäß der Erfindung hingegen erfordert merklich geringere Investi­ tionskosten, da der zwischengeschaltete Wasservorratsbehäl­ ter es ermöglicht, die Rückkühleinrichtung erheblich kleiner und somit billiger auszuführen. Wird beispielsweise während der Dauer von zwei h/Tag mehr Strom erzeugt als der Wärmeabnahme im Fernwärmenetz entspricht, stehen 22 h/Tag zur Rückkühlung zur Verfügung. Diese Kühleinrichtung benötigt somit nur eine Kapazität, die größenordnungsmäßig ein Zehntel der bei direkter, also im wesentlichen gleich­ zeitiger Kühlung notwendigen Einrichtung beträgt. Die zeitverschobene Rückkühlung gemäß der Erfindung bewirkt somit einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil auch gegenüber einer möglichen direkten, also mehr oder weniger zeitgleichen Kühlung.

Darüber hinaus ermöglicht die Einrichtung zur zeitver­ setzten Kühlung auch, im Bedarfsfall das erwärmte Wasser dann in das Fernwärmenetz einzuführen, wenn der Wärmebedarf größer ist als der entsprechende Bedarf an elektrischer Energie. So wird sich beispielsweise bei einer Anlage mit einem Fernwärmenetz, welches überwiegend der Versorgung von Wohngebäuden dient, die Möglichkeit anbieten, das durch höhere Stromlieferungen tagsüber aufgeheizte Wasser im Vorratsbehälter 28 über Nacht herunterzukühlen, um am nächsten Morgen, wenn wiederum ein Strombedarf ansteht, der größer ist als der entsprechende Wärmebedarf, als Kühl­ wasser zur Verfügung zu stehen. Umgekehrt gilt auch die bereits erwähnte Möglichkeit, daß das Wasser im Vorratsbe­ hälter im Stromspritzenbetrieb aufgeheizt wird, um bei Bedarf, d. h. bei einer Wärmeabnahme, die größer ist als der gleichzeitigen Stromabnahme entspricht, zusätzlich Wärme in das Fernwärmenetz geben zu können.

Die in der Zeichnung noch dargestellten Pumpen 56, 58 und 60 dienen der Aufrechterhaltung des Druckes, dem Füllen des Netzes und dem Umwälzen des im Netz befindlichen Wassers.

Claims (3)

1. Anlage mit einem Heizkraftwerk und einem daran ange­ schlossenen Fernwärmenetz, wobei das Heizkraftwerk mit einer Gegendruckturbine und einem dieser abdampfseitig nachgeschalteten Heizkondensator versehen ist und in das Vorlauf- und Rücklauf aufweisende Fernwärmenetz ein Wasservorratsbehälter eingeschaltet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wasservorratsbehälter (28) mit einer Kühleinrichtung (48) versehen ist, durch die die Temperatur des im Wasservorratsbehälter (28) befindlichen Wassers abgesenkt werden kann.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (48) zu- und abschaltbar ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung als dem Wasservorratsbehälter (28) zugeordneter Kamin ausgebildet ist, welcher mit einem Lüfter zur Erzeugung eines kühlenden Luftstromes versehen ist.