Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Dampferzeugungsanlage zur Durch­ führung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Zum Verständnis der Erfindung seien zunächst zwei Arten von Abhitzeprozessen definiert. Ein erster Abhitzeprozeß sei ein industrieller Abhitzeprozeß mit folgenden Merkma­ len:

Solche Abhitzeprozesse sind charakteristisch für Müll­ verbrennungsanlagen, Sondermüllverbrennungsanlagen und Industrien, in welchen Prozeßgase bei relativ hohen Temperaturen kondensiert werden.

Ein zweiter Abhitzeprozeß sei ein Abhitzeprozeß, bei dem die Abgase für die Überhitzung des für die Dampfturbine erforderlichen Frischdampfes geeignet sind, wie er z. B. durch eine vorgeschaltete Gasturbine erzeugt werden kann.

Nutzt man einen Abhitzeprozeß der ersten Art, zur Erzeu­ gung elektrischer Energie mit Hilfe eines konventionellen Dampfprozesses, so ergibt sich im Vergleich zu einer kohle- oder gasbetriebenen Kraftwerksanlage ein sehr niedriger Wirkungsgrad, da die besonderen Bedingungen bei der Verbrennung von Müll eine Beschränkung der Prozeßpa­ rameter erfordern. In den Industriestaaten enthält der Müll zunehmende Mengen von Plastik, z. B. PVC. Während der Verbrennung dieses Materials entsteht Hydrochlorid­ säure (HCL), die nicht ausreichend neutralisiert werden kann und an den Kesseln, insbesondere an dem Überhitzer schwere Korrosionsschäden hervorruft. Selbst bei einer relativ reduzierten Dampftemperatur ergeben sich hier­ durch kurze Standzeiten und hohe Instandhaltungsaufwen­ dungen.

Aus "IR. TED Wiekmeÿer, Improvements in Incinerators by Means of Gas Turbine Based Cogen Systems, Gas Turbine and Aeroengine Congress amd Exhibition, June 11-14, 1990 Brussels, Belgium" ist es bekannt, den Wirkungsgrad indu­ strieller Abhitzeprozesse der ersten Art durch Verknüp­ fung mit einem Abhitzeprozeß der zweiten Art zu verbes­ sern. Hierbei dient der industrielle Abhitzeprozeß zur Erzeugung von Sattdampf, der anschließend mit Hilfe des Abhitzeprozesses einer vorgeschalteten Gasturbine in ei­ nem Dampfüberhitzer zu Frischdampf überhitzt wird.

Wesentlich ist, daß im Abhitzeprozeß der Gasturbine keine mit der Müllverbrennung vergleichbare Korrosionsgefahr besteht. Störend ist jedoch der hohe apparative Aufwand der bekannten Dampferzeugungsanlage und die Schwierig­ keit, auch bei starken Schwankungen der im Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampfmenge einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen.

Entsprechend der im industriellen Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampfmenge schwankt der Wärmebedarf des Dampfüberhit­ zers. Ein Ausgleich der hier benötigten Energie kann ent­ weder durch Installation einer Zusatzfeuerung vor dem Überhitzer oder durch eine an die Dampfproduktion an­ gepaßte Belastung der Gasturbine herbeigeführt werden. Beide Maßnahmen sind nicht geeignet, einen optimalen Wir­ kungsgrad zu erreichen, da der Wirkungsgrad einer Zusatz­ feuerung grundsätzlich als schlecht zu bezeichnen ist und Laständerungen der Gasturbine zur Anpassung der Abhitze an die erzeugte Sattdampfmenge selbstverständlich uner­ wünscht sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Dampferzeugungsan­ lage zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, durch die eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt wird, und selbst starke Lastschwankungen in einem der beiden Abhitzeprozesse mit Hilfe des anderen Abhitzeprozesses ohne Zusatzfeuerung ausgeglichen werden.

Diese Aufgabe wird durch die in jedem der Ansprüche 1 bis 6 jeweils gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungsgegen­ stände sind in den Unteransprüchen genannt.

Bei einem ersten Verfahren wird die erfindungsgemäße Auf­ gabe für den Fall, daß der erste Abhitzeprozeß zum Still­ stand gekommen ist oder nur unter Schwachlast gefahren wird, gelöst. Hierzu wird der Dampf, nach seiner Entspan­ nung im Hochdruckteil der Dampfturbine, in einem Nieder­ drucküberhitzer des zweiten Abhitzeprozesses überhitzt und durch Wärmeentnahme aus dem vom Niederdrucküberhitzer kommenden Niederdruckdampf Sattdampf erzeugt. Der zweite, z. B. von einer Gasturbine ausgehende Abhitzeprozeß kann somit auch dann weitergeführt werden, wenn vom ersten Ab­ hitzeprozeß kein Sattdampf geliefert wird. Somit kann die Dampfturbine uneingeschränkt auch nur mit der Gasturbine und ihrem Abhitzedampferzeuger gefahren werden.

Bei einem zweiten Verfahren wird die erfindungsgemäße Aufgabe für den Fall, daß der zweite Abhitzeprozeß zum Stillstand gekommen ist oder nur unter Schwachlast gefah­ ren wird, gelöst. Hierzu wird ein Teil des im ersten Ab­ hitzeprozeß erzeugten Sattdampfes kondensiert und die entstehende Kondensationswärme zur Überhitzung des im Hochdruckteil der Dampfturbine entnommenen Niederdruck­ dampfes verwendet. Bei Anwendung des Verfahrens muß also die Gasturbine, wie sonst üblich, nicht mehr kontinuier­ lich fahren, so daß dann, wenn eine Stromerzeugung mit hochwertigem Brennstoff nicht sinnvoll ist (z. B. in Nie­ dertarifzeiten), die Gasturbine abgeschaltet werden kann oder nur noch unter Schwachlast betrieben wird.

Bei einem dritten Verfahren wird die erfindungsgemäße Aufgabe für den Fall gelöst, daß eine Kombination der beiden vorgenannten Verfahren miteinander gewünscht wird. Bei diesem Verfahren wird erreicht, daß entweder ein Wär­ meaustausch vom ersten Abhitzeprozeß zum zweiten Abhitze­ prozeß erfolgt, oder sich der Wärmeaustausch in umgekehr­ ter Richtung vollzieht. Es wird also dafür gesorgt, daß bei Schwachlast oder Stillstand des ersten Ab­ hitzeprozesses ein Wärmeaustausch zur Erzeugung von Satt­ dampf durch den vom Niederdrucküberhitzer kommenden Nie­ derdruckdampf erfolgt oder bei Schwachlast bzw. Still­ stand des zweiten Abhitzeprozesses ein Wärmeaustausch zur Überhitzung des vom Hochdruckteil der Dampfturbine kom­ menden Niederdruckdampfes durch Kondensation des im er­ sten Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampfes erfolgt.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Er­ stellung einer zur Durchführung der jeweiligen Verfahren geeigneten Dampferzeugungsanlage gelöst. So ist eine er­ ste Dampferzeugungsanlage zur Durchführung des ersten Verfahrens mit einem ersten Abhitzekessel, in dem der er­ ste Abhitzeprozeß abläuft, und in dem ein Hochdruckverdampfer zur Sattdampferzeugung angeordnet ist und mit einem zweiten Abhitzekessel, in dem der zweite Abhitzeprozeß abläuft und in dem ein Hochdrucküberhitzer zur Frischüberhitzung angeordnet ist, dem der Sattdampf des ersten Verdampfers zugeführt wird ausgestattet. Erfindungsgemäß liegt nun in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Hochdrucküberhitzer ein Niederdrucküberhitzer, der Niederdruckdampf einem HD-Dampferzeuger zuführt, der seinerseits durch Entzug von Wärme aus dem Niederdruck­ dampf aus Wasser Sattdampf erzeugt, der dem Hochdruck­ überhitzer zugeführt wird.

Eine zur Durchführung des zweiten Verfahrens geeignete Dampferzeugungsanlage ist im Prinzip wie die erste Dampferzeugungsanlage aufgebaut, doch wird ein Teil des vom ersten Abhitzeprozeß kommenden Sattdampfes in einem ND-Dampfüberhitzer kondensiert und mit der erzeugten Wärme der Niederdruckdampf überhitzt.

Um das erste und das zweite Verfahren miteinander kombi­ nieren zu können, wird erfindungsgemäß eine dritte Dampferzeugungsanlage vorgeschlagen, die sich aus den Teilen der ersten und der zweiten Dampferzeugungsanlage zusammensetzt. Diese dritte Dampferzeugungsanlage ist au­ ßerordentlich flexibel, da Schwachlastperioden und Still­ stand in jedem der beiden Abhitzeprozesse durch den je­ weils anderen Abhitzeprozeß abgefangen werden können.

Der Aufbau der Dampferzeugerungsanlage kann dadurch ver­ einfacht werden, daß der ND-Dampfüberhitzer und der HD- Dampferzeuger zu einem Kombinationswärmetauscher zusam­ mengefaßt werden, der die Funktionen beider Funktionsein­ heiten wahrnimmt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegen­ standes ist vorgesehen, daß der mit Hochdrucksattdampf aus dem Hochdruckverdampfer und/oder dem Ausgleichswärme­ tauscher gespeiste Hochdrucküberhitzer den überhitzten Hochdruckdampf einer Hochdruckturbine zuführt, die den von ihr auf Niederdruck entspannten Dampf an den Nieder­ drucküberhitzer weitergibt, von dem er über den Ausgleichswärmetauscher zu einer Niederdruckturbine ge­ langt.

Von wesentlicher Bedeutung ist der Aufbau des zweiten Abhitzekessels, da die in ihn einströmenden Abgase meh­ rere hintereinanderliegende Wärmetauscher passieren, wo­ bei es vom Wärmebedarf des jeweils vorgeschalteten Wärmetauschers abhängt, wieviel Wärme für den nachge­ schalteten Wärmetauscher übrigbleibt. So ist vorgesehen, hinter dem Hochdrucküberhitzer den Niederdrucküberhitzer und hinter diesem einen Niederdruckverdampfer anzuordnen und den von der Hochdruckturbine und dem Niederdruckver­ dampfer kommenden Niederdruckdampf dem Niederdrucküber­ hitzer zuzuführen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, zur Ausnutzung gegebenen­ falls überschüssiger Wärme, im ersten Abhitzekessel hin­ ter dem Hochdruckverdampfer einen ersten Vorwärmer und im zweiten Abhitzekessel hinter dem Niederdruckverdampfer einen zweiten Vorwärmer zu installieren.

Bei einem Kombinationswärmetauscher, der einen bidirek­ tionalen Wärmeaustausch zwischen beiden Abhitzeprozessen ermöglicht, ist es zweckmäßig, einen Niveauregler vorzu­ sehen, der in Abhängigkeit von der Temperatur des Nieder­ druckdampfes das Niveau des Wasserstandes durch Steuerung eines ersten Ventils für einen Kondensatablauf und durch Steuerung eines zweiten Ventils für einen Spei­ sewasserzulauf regelt. Den Kombinationswärmetauscher wird man zweckmäßigerweise immer dem zweiten Abhitzeprozeß zu­ ordnen, unabhängig davon, ob ein Kombinationswärmetau­ scher oder zwei an ihre jeweilige Aufgabe spezifisch an­ gepaßte Wärmetauscher verwendet werden.

Zur Vermeidung eines ungewollten Temperatursturzes in dem Hochdruckteil der Dampfturbine beim Ausfall der Heißgas­ versorgung, können der Hochdruck- und der Niederdruckteil mit einer Überholkupplung gekoppelt werden. Sollte z. B. die Gasturbine in Schnellschluß gehen, werden die beiden Teile automatisch entkoppelt und der Hochdruckteil der Dampfturbine geht selbst in Schnellschluß, während eine vom Druck geregelte Umleitstation den Hochdruckdampf in die Niederdruckschiene einspeist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der beiden miteinander verknüpften Abhitzeprozesse zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine,

Fig. 2 den zweiten Abhitzeprozeß mit zusätzlichen Details,

Fig. 3 den zweiten Abhitzeprozeß mit einem ND-Dampf­ überhitzer und einem HD-Dampferzeuger,

Fig. 4 ein T/Q-Diagramm einer kombinierten Dampferzeu­ gungs-/Dampfüberhitzungaanlage bei Auslegung für Normallast,

Fig. 5 ein Diagramm entsprechend Fig. 3 bei Schwach­ last der Gasturbine,

Fig. 6 ein Diagramm entsprechend Fig. 3 bei Stillstand der Gasturbine,

Fig. 7 ein Diagramm entsprechend Fig. 3 bei Schwach­ last des ersten Abhitzeprozesses,

Fig. 8 ein Diagramm entsprechend Fig. 3 bei Ausfall des ersten Abhitzeprozesses.

Wie das Schema nach Fig. 1 erkennen läßt, gelangen heiße Abgase W1 eines industriellen Abhitzeprozesses A, z. B. einer Müllverbrennungsanlage, zu einem Hochdruckverdamp­ fer 1, an den sie teilweise oder vollständig ihr Wärmepo­ tential abgeben und als entsprechend abgekühltes, eventu­ ell kondensiertes Medium W2 im Abhitzekessel C weiter­ strömen. Der im Hochdruckverdampfer 1 erzeugte Sattdampf wird dem zweiten Abhitzeprozeß B zugeführt, der als kom­ binierte Dampferzeugungs-/Dampfüberhitzungsanlage ausge­ bildet ist. Ein dieser Anlage zugeordneter Abhitzekessel D wird normalerweise mit heißen Abgasen W3, z. B. den Ab­ gasen einer Gasturbine GT, beheizt. In Strömungsrichtung der Abgase W3 an erster Stelle liegt ein Hochdrucküber­ hitzer 2, in dem der Sattdampf des Hochdruckverdampfers 1 überhitzt und dann dem Hochdruckteil einer Dampfturbine DT/HD zugeführt wird.

Nach seiner Entspannung im Hochdruckteil der Dampfturbine DT/HD wird nun der Niederdruckdampf in einem Niederdruck­ überhitzer 3, der hinter dem Hochdrucküberhitzer 2 ange­ ordnet ist, ebenfalls überhitzt. Der so überhitze Nieder­ druckdampf strömt über einen Ausgleichswärmetauscher 5 zum Niederdruckteil einer Dampfturbine DT/ND, in der er bis zum Abdampfdruck, z. B. dem Kondensationsdruck, ent­ spannt.

Im zweiten Abhitzekessel D hinter dem Niederdruckerhitzer 3 ist noch ein Niederdruckverdampfer 4 angeordnet, der Niederdruckdampf erzeugt, soweit nicht der Dampf des er­ sten Abhitzeprozesses A das gesamte Wärmepotential zwi­ schen der Eintrittstemperatur des Abgases W3 und der Sät­ tigungstemperatur des Niederdruckdampfes in den Überhit­ zern 2 und 3 aufnehmen kann. Der vom Niederdruckverdamp­ fer 4 erzeugte Niederdruckdampf gelangt zusammen mit dem vom Hochdruckteil der Dampfturbine DT/HD kommenden Nie­ derdruckdampf zum Niederdrucküberhitzer 3.

Sowohl das aus dem ersten Abhitzeprozeß A ausströmende Abgas W2 wie auch das aus dem zweiten Abhitzeprozeß B ausströmende Abgas W4 kann zur Beheizung weiterer Appa­ rate, z. B. eines Economizers, genutzt werden, sofern noch brauchbares Wärmepotential vorhanden ist. Es handelt sich hier um Möglichkeiten, die ausreichend bekannt sind, und deshalb keiner weiteren Beschreibung bedürfen. Bei der in Fig. 1 angedeuteten Variante ist im ersten Abhit­ zekessel C ein erster Vorwärmer 7 und im zweiten Abhitze­ kessel D ein zweiter Vorwärmer 8 vorgesehen. Die beiden Vorwärmer 7, 8 werden von einem Economizer 9 über Pumpen 16, 17 mit Wasser versorgt. Eingangsseitig wird der Eco­ nomizer 9 über eine Pumpe 15 mit Kondensat aus einem am Ausgang des Niederdruckteils der Dampfturbine DT/ND lie­ genden Kondensator 10 gespeist.

Von entscheidender Bedeutung für die Wirkungsweise des zweiten Abhitzeprozesses B in seiner Funktion als kombi­ nierte Dampferzeugungs-/Dampftüberhitzungsanlage ist die Wirkungsweise des Kombinationswärmetauschers 5. Dieser hat die Aufgabe, einen Ausgleich zwischen den beiden Abhitzeprozessen A, B so vorzunehmen, daß jeweils einer der beiden Abhitzeprozesse A, B ausfallen oder unter Schwachlast betrieben werden kann und die fehlende Wärme vom jeweils anderen Abhitzeprozeß erzeugt wird. So kann er entweder den Niederdruckdampf bei Bedarf trocknen und ausreichend überhitzen oder Hochdrucksattdampf erzeugen. Ein erster Raum des Kombinationswärmetauschers 5 ist hierzu mit dem ersten Hochdruckverdampfer 1 verbunden, während der vom Niederdrucküberhitzer 3 kommende Nieder­ druckdampf einen zweiten Raum durchströmt.

Auf der Hochdruckseite des Kombinationswärmetauschers 5 befindet sich neben Dampf auch Kondensat, dessen Niveau von der Niederdruckdampftemperatur bestimmt wird. Sollte z. B. die den zweiten Abhitzeprozeß B speisende Gastur­ bine GT zurückgefahren oder gar abgestellt werden, wird der Niederdruckdampf durch Kondensieren von Hochdrucksattdampf gegebenenfalls getrocknet und soweit überhitzt, daß er einem Niederdruckteil der Dampfturbine DT/ND zugeführt werden kann und dadurch den Niederdruck­ überhitzer 3 ersetzt.

Umgekehrt verhält sich der Kombinationswärmetauscher 5, wenn die vom ersten Abhitzeprozeß A kommende Dampfmenge zurückgeht. Das einströmende Abgas W3 des zweiten Abhit­ zeprozesses B wird nun am Hochdrucküberhitzer 2 nicht mehr so stark abgekühlt, so daß genügend Wärme verbleibt, um den Niederdruckdampf im Niederdrucküberhitzer 3 über seinen Sollwert hinaus zu überhitzen, so daß dieser dann seine überschüssige Wärme an den Kombinationswärmetau­ scher 5 abgeben kann, der seinerseits Hochdrucksattdampf erzeugt. Dieser kann wiederum dem Hochdrucküberhitzer 2 zugeführt werden. Selbstverständlich kann der Kombinati­ onswärmetauscher 5 auch aus zwei getrennten Funktionseinheiten bestehen, wobei die eine die Überhit­ zung des Niederdruckdampfes und die andere die Hochdrucksattdampferzeugung sicherstellt.

Die Gesamtanlage dient zur Stromerzeugung, wobei ein er­ ster Generator G1 von der Gasturbine GT und ein zweiter Generator G2 von der Dampfturbine angetrieben wird.

Die Darstellung in Fig. 2 läßt weitere Details des zwei­ ten Abhitzeprozesses B der Fig. 1 erkennen, wobei die Verbindungsleitungen a bis g zum übrigen Kraftwerksprozeß führen. Das bei der Kondensation von Hochdrucksattdampf im Kombinationswärmetauscher 5 erzeugte Kondensat sowie ein Speisewasserzulauf e sorgen für das notwendige Was­ ser, das zur Erzeugung von Hochdruckdampf im Kombinati­ onswärmetauscher 5 benötigt wird. Ein erster Niveauregeler N1, der den Wasserstand in Abhängigkeit von der Tem­ peratur T vorgibt, sorgt dafür, daß überschüssiges Kon­ densat mit Hilfe eines ersten Niveauregelventils 13 den Kondensatablauf f erreicht, oder mit Hilfe eines zweiten Niveauregelventils 14 ein Speisewasserzulauf e ermöglicht wird. Ein Druckregler P steuert eine Hochdruckumleitsta­ tion 6, die den Niederdrucküberhitzer 3 mit dem Hochdrucküberhitzer 2 verbindet und so beim Ausfall der Abgasversorgung des zweiten Abhitzeprozesses einen unge­ wollten Temperatursturz vermeiden hilft. Mit einem zwei­ ten Niveauregler N2 wird der Wasserstand in einer Nieder­ drucktrommel 11 für den Niederdruckverdampfer 4 geregelt.

Wie bereits angedeutet, kann der Kombinationswärmetau­ scher 5 auch durch zwei getrennte Funktionseinheiten re­ alisiert werden. Wie in Fig. 3 dargestellt, dient hierzu ein ND-Dampfüberhitzer 5a und ein HD-Dampferzeuger 5b.

Der ND-Dampfüberhitzer 5a erhält seinen Niederdruckdampf vom Niederdrucküberhitzer 3, den er unterstützen oder er­ setzen soll, und gibt den getrockneten und überhitzten Niederdruckdampf an die Niederdruckdampfturbine DT/ND weiter. Zum Wärmeaustausch wird ihm über den Anschluß a Sattdampf aus dem Hochdruckverdampfer 1 des ersten Abhitzeprozesses zugeführt.

Der HD-Dampferzeuger 5b ist zur Niveauregelung an einen Speisewasserzulauf und an einen Kondensatablauf ange­ schlossen und wird durch die Kondensation ihm vom Nieder­ drucküberhitzer 3 zugeführten Niederdruckdampfers auf ge­ heizt. Der von ihm erzeugte Hochdruckdampf wird an den Hochdrucküberhitzer 2 weitergegeben.

In den Fig. 4 bis 8 sind verschiedene T/Q-Diagramme des zweiten Abhitzeprozesses zur Verdeutlichung verschie­ dener Betriebsfälle dargestellt. Die vom Abgas abgegebene Wärmemenge wird je nach Betriebsfall mit einem sich ent­ sprechend ändernden Anteil von dem Hochdrucküberhitzer 2, dem Niederdrucküberhitzer 3 oder dem Niederdruckverdamp­ fer 4 aufgenommen. Die jeweilige Temperatur des vom Hoch­ druckteil der Dampfturbine DT/HD kommenden Dampfes c, des zum Niederdruckteil der Dampfturbine DT/ND fließenden Dampfes d, des vom Hochdruckverdampfer 1 kommenden Dampfes a und des zum Hochdruckteil der Dampfturbine DT/HD fließenden Dampfes b ist ebenfalls erkennbar.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Normalfall ergeben sich bei optimaler Auslegung nur sehr geringe Temperaturdiffe­ renzen und dementsprechend ein hoher Wirkungsgrad. Bei der in Fig. 5 dargestellten Schwachlast im zweiten Abhit­ zeprozeß fehlt es an überschüssiger Wärme zur Speisung des Niederdruckverdampfers 4, was durch den Kombinations­ wärmetauscher 5 ausgeglichen werden muß. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausfall des zweiten Abhitzeprozesses, also z. B. einem Stillstand der Gasturbine GT, sorgt al­ lein der Kombinationswärmetauscher 5 für die Überhitzung des Niederdruckdampfes. Bei der in Fig. 7 dargestellten Schwachlast des ersten Abhitzeprozesses entnimmt der Kom­ binationswärmetauscher 5 Wärme aus dem zweiten Abhitze­ prozeß zur Hochdruckdampferzeugung, was er bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausfall des ersten Abhitzeprozesses in verstärktem Maße tun muß.

Somit können folgende Merkmale der Dampfversorgung der Dampfturbine bei Vernachlässigung der Endgrädigkeiten festgehalten werden:

Dabei wird vorausgesetzt, daß die Dampfturbine die Dampf­ drücke (Hoch- und Niederdruck) auf bekannte Weise regelt.