DE4243569A1 - Efficient steam-raising process for thermally operated power station - has additional water circulation for reclamation of latent heat of condensation to assist steam generation and eliminate cooling towers - Google Patents

Efficient steam-raising process for thermally operated power station - has additional water circulation for reclamation of latent heat of condensation to assist steam generation and eliminate cooling towers

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Abstract

The modified process generates steam in a low-pressure vessel and is raised to working pressure by a multi-stage compressor with separate dedicated drive. The reclaimed thermal energy is circulated via a heat pump to assist the steam-raising in the low-pressure vessel and the complete system constitutes a closed circuit without cooling towers. The single turbine steps works up until the wet steam curve where it will again be over heated. USE/ADVANTAGE - Is applicable to stations employing coal, gas, oil or atomic primary energy and re-uses the working fluid i.e. water without the need for cooling towers exhausting to atmosphere. Is capable of improved operating efficiency as compared with contemporary practice.

Description

Die Erfindung betriff einen neuen Kraftwerkstyp. Durch eine neue und bessere Anordnung und Verwendung von Anlagenteilen für einen geschlossenen rechtslaufenden Kreisprozeß wird mit dem Arbeits­ medium Wasser, bei dem i. a. das Wasser verdampft und überhitzt wird um zum Antrieb von Turbinen tauglich zu sein, der gewünschte Antrieb von Turbinen und Generatoren bereitgestellt.The invention relates to a new type of power plant. With a new one and better arrangement and use of plant parts for one closed right-handed cycle will work with medium water, in which i. a. the water evaporates and overheats will be the desired one to be suitable for driving turbines Drive provided by turbines and generators.

Der in den Turbinen sehr weit entspannte Wasserdampf muß mittels eines Kondensators verflüssigt werden, damit er als Arbeitsmedium im geschlossenen Kreisprozeß wieder zur Verfügung steht. Da nun zur Aufrechterhaltung eines Druckunterschiedes an den Turbinen Wasserdampf als Druckgas vorhanden sein muß, ist dann die Zufuhr von Energie zur neuerlichen Verdampfung, Verdichtung und Überhit­ zung des Wassers notwendig.The water vapor, which is very far relaxed in the turbines, has to be a condenser to be liquefied so that it can be used as a working medium is available again in a closed cycle. Because now to maintain a pressure differential across the turbines Steam must be available as a compressed gas, then the supply from energy to renewed evaporation, compression and overheating water is necessary.

Es ist also bekannt, daß man zu dieser Art der Dampferzeugung ei­ nen Dampfkessel verwenden kann, in dem Primärenergie wie Kohle, Gas, Öl und Kernenergie zugeführt wird. In diesem Dampfkessel ist es je­ doch nicht möglich, die drei Phasen der Dampfbereitstellung für den Turbineneintritt getrennt zu bewerkstelligen, zu steuern oder ge­ trennt Abwärme aus einem anderen Temperaturniveau zuzuführen.So it is known that one oi this type of steam generation can use a steam boiler in which primary energy such as coal, gas, Oil and nuclear energy is supplied. It is ever in this steam boiler not possible, the three phases of steam supply for the Turbine entry separately, to control or ge separates waste heat from a different temperature level.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, mit einer anderen Prozeßführung die Bereitstellung des überhitzten Dampfes vor den Turbinen zu ermöglichen, um auch die bisher über die Kühltürme ab­ gegebene Kondensationswärme an einer der drei Stellen der neuen Prozeßführung wiederzuverwenden. Da das innere Wasserdampfkondensa­ tionsniveau das niederste Temperaturniveau sein muß und andererseits der Phasenwechsel des Arbeitsmedium Wasser von flüssig zu gasförmig im Dampfkessel wegen des dort herrschenden Druckes ebenfalls hoch ist, konnte im herkömmlichen Dampfkessel die Kondensationswärme nicht wiederverwendet werden.The invention was therefore based on the object with another Litigation providing the superheated steam before the To enable turbines to also pass through the cooling towers given heat of condensation at one of the three points of the new process control reuse. Because the inner water vapor condenser tion level must be the lowest temperature level and on the other hand the phase change of the working medium water from liquid to gaseous in the steam boiler because of the pressure there also high the condensation heat in the conventional steam boiler not be reused.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem die drei Schritte der Dampferzeugung für den Turbineneintritt anlagen­ technisch und verfahrenstechnisch wie folgt vollkommen getrennt und mit anderen Apparaten ausgeführt werden:This object is now achieved by the three steps of steam generation for the turbine inlet technically and procedurally completely separated as follows and with other devices:

  • 1. Die Verdampfung des Wassers erfolgt in einem eigenen Behälter bei konstanten niedrigen Druck (ca. 0,02 bar), wobei der Wasserdampf von einem nachgeschalteten Verdichter abgesaugt wird, und die Verdampfungswärme für diesen niederen Druck aus einem Wasserkreislauf oder einem Wärmeträgergas zuge­ führt wird.1. The water is evaporated in a separate container at constant low pressure (approx. 0.02 bar), the Water vapor is extracted from a downstream compressor and the heat of vaporization for that low pressure from a water cycle or a heat transfer gas leads.
  • 2. Die Verdichtung des Wasserdampfes (Druckerhöhung) erfolgt danach mit einem fremdangetriebenen Verdichter mit sehr hohem Druckverhältnis (ca. Π = 5000), z. B. unter Einsatz von Turbo- oder Schraubenverdichtern, auch mehrflutig auf einer Welle angeordnet. 2. The compression of the water vapor (pressure increase) takes place then with an externally driven compressor with very high pressure ratio (approx. Π = 5000), e.g. B. using of turbo or screw compressors, also multi-flow arranged a shaft.  
  • 3. Die Temperaturerhöhung des Wasserdampfes erfolgt nun in Gas­ wärmetauschern ( ähnlich oder gleich denen, wie sie bisher für die Zwischenüberhitzung verwendet werden ), wobei jetzt erst­ mals und ausschließlich die Primärenergie zugeführt wird.3. The temperature rise of the water vapor now takes place in gas heat exchangers (similar to or the same as previously used for reheating can be used), but only now times and only the primary energy is supplied.

Diese Anlagenanordnung ist erstmals mitsamt des ganzen Dampfkraft­ prozesses in Abb. 1+4 dargestellt.This system arrangement is shown for the first time together with the entire steam power process in Fig. 1 + 4.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen nun darin, daß sich nach der erfindungsgemäßen Trennung der überhitzten Wasserdampfbereit­ stellung die gesamte Kondensationswärme zur Dampferzeugung im ersten Schritt der Niederdruckverdampfung unter Verwendung eines anlagen­ mäßig ähnlich großem ein- oder mehrstufigem linkslaufenden Zusatzkreisprozeß wiederverwenden läßt.The advantages that can be achieved with the invention are that ready after the separation of the superheated steam according to the invention position the total heat of condensation for steam generation in the first Low pressure evaporation step using a plant moderately similar large single- or multi-stage left-running additional cycle process can be reused.

Dieser Zusatzkreisprozeß ist ebenfalls fremdangetrieben und nimmt im ersten Schritt mit einem flüssigen Arbeitsmedium die gesamte Kon­ densationswärme auf und verdampft dabei teilweise (Überflutungsprinzip). Das verdampfte Zusatzmedium wird verdichtet auf einem etwas höherem Temperaturniveau zur Kondensation gebracht, wobei gerade diese Konden­ sationswärme zur Tiefdruckverdampfung des Wasserdampfes ausreicht. Das Zusatzmedium muß dann noch gedrosselt in den zugehörigen Behälter des Zusatzmediums zurückgeführt werden.This additional cycle process is also externally driven and takes in the first step with a liquid working medium the entire con heat of condensation and partially evaporates (flooding principle). The evaporated additional medium is compressed to a slightly higher one Temperature level brought to condensation, with these condensings station heat is sufficient for low pressure evaporation of the water vapor. The Additional medium must then be throttled into the associated container Additional medium can be returned.

Aus den Abb. 1 und 4 sind die geeigneten Temperaturlagen und die zugehörigen Energien, auch für die Fremdantriebe, für eine elektrische Energie von 1000 MW beispielhaft dargestellt (Gene­ ratorleistung).The suitable temperature positions and the associated energies, also for the external drives, for an electrical energy of 1000 MW are exemplarily shown in Figs. 1 and 4 (generator power).

Abb. 2 zeigt den maßstäblichen Verlauf des Dampfkraftprozesses im schiefwinkligen Enthalpie-Entropie-Diagramm ( nach Mollier ) mit den Bezeichnungen und Zustandspunkten aus der Abb. 1+4. Fig. 2 shows the scaled course of the steam power process in the oblique enthalpy-entropy diagram (according to Mollier) with the names and state points from Fig. 1 + 4.

Abb. 3 zeigt den maßstäblichen Verlauf des linkslaufenden Zusatz­ kreisprozesses im Enthalpie-Log P-Diagramm mit den Bezeichnungen und Zustandspunkten der Abb. 1+4. Fig. 3 shows the scaled course of the left-running additional cycle process in the enthalpy log P diagram with the designations and status points of Fig. 1 + 4.

Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades der Bei­ spielanlage vom Wirkungsgrad der Wasserdampfer- und überhitzer.Table 1 shows the dependence of the overall efficiency of the be Play system on the efficiency of steam and superheaters.

Wie aus der Beschreibung und den zugehörigen Daten ersichtlich, liegt der erzielbare Wirkungsgrad der so ausgeführten Anlage sehr weit über demjenigen heute ausgeführter Anlagen, einschließlich der Gas- und Dampfturbinenanlagen G und D.As can be seen from the description and the associated data, is the achievable efficiency of the system designed in this way far above that of today's facilities, including the gas and steam turbine plants G and D.

Wie üblich wird der Anlagenteil, in dem Wasserdampf zirkuliert, vor der jeweiligen Inbetriebnahme sehr hoch evakuiert.As usual, the part of the plant in which water vapor circulates evacuated very high before each start-up.

Als Arbeitsmedium für den zugehörigen Zusatzkreisprozeß eignet sich neben Ammoniak (NH3) auch Propan, Propylen, sowie die Kälte­ mittel R11, R12 und R22.In addition to ammonia (NH 3 ), propane, propylene and the refrigerants R11, R12 and R22 are also suitable as the working medium for the associated auxiliary cycle process.

Die in den Beschreibungen und Abbildungen geschilderten Temperatur­ lagen lassen sich zur Größenvariation der Komponenten noch sehr weit variieren, ohne daß sich der sehr gute Gesamtwirkungsgrad verschlechtern würde. The temperature described in the descriptions and illustrations layers can still be very different for the size variation of the components vary widely without affecting the very good overall efficiency would worsen.  

Tabelle 1Table 1

Gesamtwirkungsgrad der Anlage etaG aus Einzelwirkungsgraden, insbesondere aus den Wirkungsgraden der Dampfer- und Über­ hitzern etaÜ (DE, ZÜ1 und ZÜ2 ), wobei die in den Abb. 1+4 angegebenen Zahlenwerte effektiv eingebrachte Wärmeleistungen darstellen. Es gelten für: Wirkungsgrad von Turbine und Gene­ rator zus. etaTG = 0,9, Verdichterwirkungsgrade (Wasserdampf + NH3) etaV = 0,85.Overall efficiency of the system eta G from individual efficiencies, in particular from the efficiencies of the steamer and superheaters eta Ü (DE, ZÜ1 and ZÜ2), the numerical values shown in Fig. 1 + 4 effectively representing the heat outputs. The following applies for: Efficiency of turbine and generator plus eta TG = 0.9, compressor efficiency (water vapor + NH 3 ) eta V = 0.85.

Da die Verdichterantriebsleistungen im Zusatzprozeß nach Abb. 4 (Indize di, direkte Verdampfung) niedriger sind (182 MW) als diejenigen der Abb. 1 (Indize id, indirekte Verdampfung, 206 MW), ergeben sich die Gesamtwirkungsgrade etaGdi (Abb. 4) und etaGid (Abb. 1) wie folgt:Since the compressor drive powers in the additional process according to Fig. 4 (Indize di, direct evaporation) are lower (182 MW) than those in Fig. 1 (Indicate id, indirect evaporation, 206 MW), the overall efficiencies eta Gdi ( Fig. 4) result and eta Gid ( Fig. 1) as follows:

Claims (9)

1. Dampfkraftprozeß zur Stromerzeugung mit den Anlagenteilen Verdampfer, Verdichter, Dampfüberhitzer, Turbinen, Kondensator und Generator sowie einem zusätzlichen Kreisprozeß zur Rück­ gewinnung der Kondensationswärme, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung im Niederdruckbereich erfolgt, die Druckerhöhung durch Verdichter mit eigenem Antrieb erfolgt und die Kondensationswärme intern über eine Wärmepum­ pe dem Tiefdruckverdampfer zugeführt wird, so daß der Prozeß ohne Kühlturm arbeiten kann.1. steam power process for power generation with the plant parts evaporator, compressor, steam superheater, turbines, condenser and generator and an additional cycle to recover the condensation heat, characterized in that the evaporation takes place in the low pressure range, the pressure is increased by compressors with their own drive and the heat of condensation is fed internally via a heat pump to the low pressure evaporator so that the process can work without a cooling tower. 2. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Turbinenstufen bis nahe an die Naßdampfgrenzkurve arbeiten, bis sie wieder zwischenüber­ hitzt werden.2. steam power process according to claim 1, characterized in that the individual turbine stages up to close Work on the wet steam limit curve until it passes again be heated. 3. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärenergie Kohle, Gas, Öl und Kernkraft eingesetzt wird.3. steam power process according to claim 1-2, characterized in that coal, gas, oil and Nuclear power is used. 4. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nichtatomarer Primär­ energie die zur Verbrennung notwendige Luft mit dem Abstrom aus den Dampferhitzern zur Verbesserung der Wärmezufuhrtemperatur mittels Wärmetauschern vorgewärmt wird.4. steam power process according to claims 1-3, characterized in that when using non-atomic primary energy the air required for combustion with the outflow the steam heaters to improve the heat supply temperature is preheated by means of heat exchangers. 5. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-4. dadurch gekennzeichnet, daß der Saugdruck des Verdichters konstant niedrig und auch bei konstanter Temperatur gehalten wird.5. Steam power process according to claims 1-4. characterized in that the suction pressure of the compressor is constant is kept low and also at a constant temperature. 6. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschlossene Wärmepumpe mit einem geeigneten Arbeitsmedium die Kondensationswärme des Wasserdampfes aus dessen Kondensator entnimmt und dem Tiefdruckverdampfer des Wasserkreislaufs wieder übergibt.6. steam power process according to claim 1-5, characterized in that the connected heat pump with a suitable working medium the heat of condensation of the water vapor takes from its condenser and the low pressure evaporator of the Water cycle passes again. 7. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der linkslaufende Kreisprozeß auch mehrstufig sein kann.7. steam power process according to claims 1-6, characterized in that the left-handed cycle also can be multi-stage. 8. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wasserdampfverdichtung wegen des hohen Druckverhältnisses neben Axialturboverdichtern auch Radialturboverdichter, sowie auch mehrflutige Kombinationen + Mehrstufige derselben, sowie auch Schraubenverdichter verwendet werden.8. steam power process according to claim 1-7, characterized in that for water vapor compression the high pressure ratio in addition to axial turbo compressors Radial turbo compressors, as well as multi-flow combinations + multi-stage the same, as well as screw compressors are used. 9. Dampfkraftprozeß nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Dampfkraftprozeß kein Kühlturm benötigt wird.9. steam power process according to claims 1-8, characterized in that no cooling tower for the steam power process is needed.
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