DE69106500T2 - Verfahren und vorrichtung zur leistungsregelung einer wirbelbettfeuerung. - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur leistungsregelung einer wirbelbettfeuerung.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Ausgangsleistung bei der Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett, in welchem Energie über Wärmeübertragungsflächen verwertet wird, die nahe am Wirbelbett angeordnet sind und die von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeübertragungsmedium durchströmt werden.
- Die Erfindung ist besonders wertvoll für Kraftwerksanlagen, bei denen die Verbrennung in einem unter Druck gesetzten Wirbelbett erfolgt, sogenannten PFBC-Anlagen (PFBC = "Pressurized Fluidized Bed Combustion"), in welchen Energie durch eine Kombination von Gasturbine und Dampfturbine umgewandelt wird. In einer solchen Anlage ermöglicht die Erfindung einen schnelleren Änderung der Ausgangsleistung, eine Erhöhung der Gastemperatur bei Teillast und eine Steuerung der Leistungsverteilung zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine während des Betriebes.
- Bei der Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett wird die Ausgangsleistung gewöhnlich durch eine Änderung der Bettiefe gesteuert. Bei konventionellen Wirbelbettkesseln zur Erzeugung und Überhitzung von Dampf, welcher in einer Dampfturbine entspannt wird, ist die Steuerung der Bettiefe im Falle von Änderungen der Ausgangsleistung mit dem Hin- und Hertransport großer Mengen von Bettmaterial zu dem Wirbelbett verbunden. Diese großen Materialströme erfordern komplizierte Transportsysteme, zu denen unter anderem Zwischenspeicher für Bettmaterial gehören. Außerdem haben die beträchtlichen Änderungen der Bettiefe und die damit zusammenhängenden Materialflüsse sowie die Freilegung von großen Wärmeübertragungsflächen eine langsame Steuerung und einen starken Abfall der Abgastemperatur bei Teillast zur Folge, was sich in einem schlechteren Umweltverhalten niederschlägt.
- Wenn das Wirbelbett unter Druck arbeitet, das heißt, wenn es in einer Anlage zur Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett verwendet wird, also in einer PFBC-Anlage ("Pressurized Fluidized Bed Combustion"), in welcher mittels Gasturbinen auch Energie aus den heißen unter Druck stehenden Abgasen rückgewonnen wird, führt die herkömmliche Steuerung der Ausgangsleistung durch Anpassung der Bettiefe auch zu einer Verkleinerung des Wirkungsgrades mit kleiner werdender Abgastemperatur sowie zu beträchtlichen Schwierigkeiten bei der Anpassung des Leistungsgleichgewichtes zwischen der Dampfturbine und der Gasturbine während des Betriebes.
- Die in dem Wirbelbettkessel vorhandenen Wärmeübertragungsflächen befinden sich in einem Hochdruckteil, der einen Verdampfer und möglicherweise einen Überhitzer enthält, und in einem Niederdruckteil mit einem oder mehreren Zwischenüberhitzern. In dem Wirbelbett sind die Wärmeübertragungsflächen gemäß der Erfindung so angeordnet, daß im Falle einer Änderung der Bettiefe eine wesentliche Menge der zum Verdampfer gehörenden Wärmeübertragungsflächen von dem Wirbelbett freigelegt oder mit dem Wirbelbett bedeckt werden, während die zum Zwischenüberhitzer gehörenden Wärmeübertragungsflächen im wesentlichen unabhängig von der Ausgangsleistung sich innerhalb des Wirbelbettes befinden. Ein gemäß der Erfindung gebauter und angeordneter Wirbelbettkessel mit Verdampfung und Überhitzung von Dampf gemäß der Erfindung erfordert eine bedeutend kleinere Änderung der Betthöhe bei einer entsprechenden Änderung der Ausgangsleistung als ein in bekannter Art angeordneter Wirbelbettkessel. Außerdem erreicht man mit einem Wirbelbettkessel gemäß der Erfindung eine direkte Steuerung der Verdampfungsleistung durch Änderung der Bettiefe.
- Durch Konzentration des Verdampfers im wesentlichen im oberen Teil des Wirbelbettes erhält man eine unmittelbare und schnelle Steuerung der Verdampfungsleistung bei einer Änderung der Bettiefe. Außerdem ist bei einer gegebenen Änderung der Ausgangsleistung eine bedeutend kleinere Änderung der Bettiefe in einer Anlage erforderlich, bei der der Verdampfer gemäß der Erfindung angeordnet ist als in einer Anlage mit einem in konventioneller Weise angeordneten Verdampfer. Außerdem ändert sich die Temperatur der Abgase als Folge einer Änderung der Ausgangsleistung nicht in der gleichen Stärke.
- Ein Wirbelbettkessel, der so angeordnet ist, daß der Fluß eines Wärmeübertragungsmittels durch den Kessel verändert wird, um die mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Wirbelbett und dem Wärmeübertragungsmittel und folglich auch die dem Bett entnommene Wärme zu steuern, erfordert eine beträchtlich kleinere Änderung der Bettiefe für eine bestimmte Änderung der Ausgangsenergie als ein konventioneller Kessel. Dies ermöglicht eine schnelle Steuerung und eine geringe Änderung der Abgastemperatur, was seinerseits eine Verbesserung des Umweltverhaltens zur Folge hat, zum Beispiel Möglichkeiten zur Verminderung der Stickoxyde. Wenn das Wirbelbett Teil einer Kraftwerksanlage mit Verbrennung in einem unter Druck gesetzten Wirbelbett ist, bei dem Energie auch aus den unter Druck stehenden Abgasen mittels Gasturbinen gewonnen wird, werden ferner die Möglichkeiten zur Anpassung des Gleichgewichtes zwischen der Dampfseite und der Gasseite während des Betriebes verbessert.
- Der Fluß durch den Kessel wird zweckmäßigerweise dadurch variiert, daß das Wärmeübertragungsmedium in variierendem Umfange an dem Kessel vorbeigeleitet wird. Auf diese Weise wird die Temperatur des Wärmeübertragungsmedium verändert und damit auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Wirbelbett und dem Medium und folglich die Wärme, welche dem Wirbelbett durch das Wärmeübertragungsmedium entzogen wird.
- Mit einem Wirbelbettkessel, der einen Verdampfer, einen Überhitzer und einen Zwischenüberhitzer enthält und gemäß der Erfindung mit mindestens einem äußeren Wärmetauscher ergänzt ist, in welchem Hochdruckdampf vom Verdampfer durch heißen Dampf mit geringerem Druck von dem Zwischenüberhitzer, Niederdruckdampf, überhitzt wird, und in welchem Wirbelbettkessel gemäß der Erfindung die Temperaturdifferenz zwischen dem Wirbelbett und einem den Zwischenüberhitzer durchfließenden Medium, Niederdruckdampf, durch Umlenkleitungen und Rezirkulation in dem Kreis für Niederdruckdampf gesteuert wird, erhält man eine schnelle Steuerung der Ausgangsleistung.
- Der Verdampfer wird mit Speisewasser gespeist, welches zu Hochdruckdampf verdampft wird. Bevor der Hochdruckdampf in einer Hochdruck-Dampfturbine entspannt wird, wird sein Energieinhalt durch Überhitzen weiter vergrößert, und zwar gemäß der Erfindung in mindestens einem Wärmetauscher, der außerhalb des Wirbelbetts angeordnet ist. Die Wärme zur Überhitzung des Hochdruckdampfes wird einem Niederdruckdampf entnommen, welcher mindestens in einem Zwischenüberhitzer überhitzt worden ist, der im Wirbelbett angeordnet ist.
- Der Zwischenüberhitzer wird mit Niederdruckdampf gespeist, vorzugsweise mit einer Teilmenge des in der Hochdruck-Dampfturbine entspannten Dampfes, der stark überhitzt ist. Durch eine außerhalb des Wirbelbettes angeordnete Umgehungsleitung wird eine weitere Teilmenge des in der Hochdruck-Dampfturbine entspannten Dampfes an dem Zwischenüberhitzer vorbeigeleitet. Der überhitzte Niederdruckdampf und der Niederdruckdampf, der mittels der Umgehungsleitung an dem Überhitzer vorbeigeleitet wurde, werden stromabwärts des Zwischenüberhitzers vermischt und mindestens einem Wärmetauscher zugeführt, welcher außerhalb des Wirbelbettes angeordnet ist und dessen Kühlmedium Hochdruckdampf ist, bevor die Energie des Niederdruckdampfes durch Entspannung in einer Niederdruck- Dampfturbine genutzt wird. Durch Überhitzung von Niederdruckdampf, durch die Möglichkeit der Umgehung des Zwischenüberhitzers und durch den Bau des Zwischenüberhitzers aus hochtemperaturfestem Material kann der Niederdruckdampf auf eine Temperatur übererhitzt werden, die der Temperatur des Wirbelbetts sehr nahekommt. Auf diese Weise wird die Möglichkeit der Änderung der mittleren Temperatur-Differenz zwischen dem Wirbelbett und dem Niederdruckdampf und damit die Möglichkeit der Steuerung der auf den Zwischenüberhitzer übertragenen Leistung im Vergleich zu einem herkömmlich konzipierten Wirbelbettkessel erhöht.
- Die Temperatur des Niederdruckdampfes wird durch Änderung des Prozentsatzes an Dampf gesteuert, der an dem Zwischenüberhitzer vorbeigeleitet wird.
- Die Abgastemperatur ändert sich nicht im gleichen Maße mit den Änderungen der Ausgangsleistung des Wirbelbetts,
- - wenn die Wärmeübertragungsflächen gemäß der Erfindung angeordnet sind,
- - wenn eine Überhitzung des Hochdruckdampfes gemäß der Erfindung stattfindet und
- - wenn die mittlere Temperatur-Differenz zwischen dem Wirbelbett und dem Niederdruckdampf gemäß der Erfindung gesteuert wird,
- wie in einem Wirbelbett mit einem herkömmlich angeordneten Wirbelbettkessel, wenn also das Wirbelbett Teil einer Kraftwerksanlage ist, bei der die Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett stattfindet und bei der Energie mittels einer Gasturbine aus heißen unter Druck stehenden Abgasen gewonnen wird. Ferner erreicht man durch die Erfindung
- - daß der Wirkungsgrad verbessert wird und
- - daß die Möglichkeiten zur Erzielung eines besseren Umweltveraltens vergrößert werden.
- Die Erfindung verbessert auch in starkem Maße die Möglichkeiten der Steuerung des Leistungsgleichgewichtes zwischen der Dampfturbine und der Gasturbine.
- Die Erfindung wird genauer beschrieben unter Bezug auf Figur 1.
- Figur 1 zeigt einen Wirbelbettkessel, der in einer Kraftwerksanlage angeordnet ist, in der die Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett erfolgt, einer sogenannten PFBC-Anlage (PFBC = "Pressurized Fluidized Bed Combustion"). Der Wirbelbettkessel ist gemäß der Erfindung unterteilt in einen Hochdruckteil mit einem Verdampfer, der an eine Hochdruck-Dampfturbine angeschlossen ist, und einen Niederdruckteil mit einem oder mehreren Zwischenüberhitzern, welcher/welche an einen äußeren Wärmetauscher zur Überhitzung von Hochdruckdampf angeschlossen ist/sind, mit Möglichkeiten zur Umgehung des Zwischenüberhitzers, bevor der Niederdruckdampf schließlich in einer Niederdruck-Dampfturbine entspannt wird.
- Die Erfindung findet Anwendung bei der Verbrennung in einem Wirbelbett 1, welches zu einer Anlage gemäß Figur 1 gehört, in welcher die Verbrennung in einem unter Druck stehenden Wirbelbett stattfindet, einer sogenannten PFBC-Anlage (PFBC = "Pressurized Fluidized Bed Combustion"). Wärmeübertragende Flächen 21, 22 zur Verwertung von Energie, die während der Verbrennung frei wird, befinden sich im Wirbelbett 1, und zwar in den Wänden des Bettgefäßes 5, welches das Wirbelbett 1 umgibt, in dem Freiraum 6 über dem Wirbelbett 1 oder in den Abgaskanälen 29, die stromabwärts des Wirbelbett 1 liegen.
- Gemäß der Erfindung sind die Wärmeübertragungsflächen in einem Hochdruckkreis 7 in Gestalt eines Verdampfers 21 zur Erzeugung von Hochdruckdampf angeordnet und möglicherweise in Form eines nicht dargestellten Überhitzers sowie in einem Niederdruckkreis 8 in Form eines oder mehrerer Zwischenüberhitzer 22. Der im Niederdruckdampf 8 enthaltene Zwischenüberhitzer 22 ist im Wirbelbett 1 zur Überhitzung von Niederdruckdampf angeordnet. Wärme, die durch den Verdampfer 21 und den Zwischenüberhitzer 22 aufgenommen wird, wird in mindestens einer Dampfturbine 24, 25 verwertet, welche an die Wärmeübertragungsflächen 21, 22 angeschlossen ist, während Energie aus den heißen unter Druck stehenden Abgasen mindestens mittels einer Gasturbine 26 zurückgewonnen wird, die in die Abgasleitung 29 eingeschaltet ist. Die Gasturbine 26 treibt einen Kompressor 27 zur Komprimierung von Gas, vorzugsweise Luft, welches dem Druckgefäß 28 zugeführt wird, welches das Wirbelbett 5 umgibt.
- Gemäß der Erfindung werden der Fluß und die Eintrittstemperatur des Niederdruckdampfes, welcher in dem Zwischenüberhitzer 22 überhitzt wird, verändert, wodurch die dem Wirbelbett entnommene Wärme gesteuert wird. Der Fluß wird dadurch verändert, daß der Niederdruckdampf in veränderlichem Umfange an dem Zwischenüberhitzer 22 vorbeigeleitet wird, beispielsweise durch eine Umgehungsleitung 3, die außerhalb des Wirbelbettes 1 angeordnet ist. Die Verteilung des Flusses auf den Zwischenüberhitzer 22 und die Umgehungsleitung 3 wird durch ein Ventil 4 gesteuert. Dadurch, daß nur Niederdruckdampf in dem Zwischenüberhitzer 22 überhitzt wird und durch Aufbau des Zwischenüberhitzers 22 aus hochtemperaturfestem Material, kann der Niederdruckdampf auf Temperaturen überhitzt werden, die dicht bei der Temperatur des Wirbelbetts 1 liegen. Hierdurch werden die Möglichkeiten vergrößert zur Steuerung des mittels des Zwischenüberhitzers 22 entnommenen Wärme, der in dem Niederdruckteil 8 an mindestens einen außerhalb des Wirbelbettes liegenden Wärmetauscher 23 angeschlossen ist, durch unterschiedlich starke Umgehung des Zwischenüberhitzers 22 beziehungsweise des Wärmetauschers 23. Der in dem Zwischenüberhitzer 22 überhitzte Niederdruckdampf wird in dem Wärmetauscher 23 zur Überhitzung von Hochdruckdampf verwendet, welcher Hochdruckdampf in dem Verdampfer 21 produziert wurde, bevor der Niederdruckdampf sich schließlich in einer Niederdruckturbine 24 entspannt.
- Der in dem Wärmetauscher 23 überhitzte Hochdruckdampf wird in einer Hochdruckdampfturbine 25 entspannt und eine Teilmenge des auf diese Weise erhaltenen Niederdruckdampfes wird zweckmäßigerweise dem Niederdruckkreis 8 zugeführt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmeübertragungsflächen in dem Wirbelbett 1 in der Weise, daß im Falle einer Veränderung der Bettiefe der Verdampfer 21 zum Beispiel freiliegt oder vom Wirbelbett 1 bedeckt ist, schlagen sich Änderungen der Bettiefe sofort in Änderungen der Verdampfungsleistung nieder. Auf diese Weise sind bedeutend kleinere Änderungen der Bettiefe mit den gemäß der Erfindung angeordneten Wärmeübertragungsflächen 21, 22 erforderlich im Vergleich mit konventionellen Wirbelbettkesseln zur Erzielung einer bestimmten Änderung der Ausgangsleistung.
- Durch die erfindungsgemäßen stark verbesserten Möglichkeiten zur Steuerung der Verdampfungsleistung und der Ausgangswärme eines Wirbelbettes 1 erreicht man wertvolle Verbesserungen bei der Steuerung und dem Betrieb einer PFBC-Anlage, und zwar:
- - Eine schnelle Änderung der Ausgangsleistung, da die Notwendigkeit von Änderungen der Bettiefe und des damit verbundenen Transportes von Bettmaterial durch die Wärmeübertragungsflächen 21,22, die gemäß der Erfindung angeordnet und angeschlossen sind, reduziert wird.
- - Die Abhängigkeit der Abgastemperatur von der Ausgangsleistung wird durch die Verminderung der Betthöhenänderungen beträchtlich reduziert, und auf diese Weise kann die Abhängigkeit des Wirkungsgrades und des günstigen Umweltverhaltens der Anlage von der Ausgangsleistung vermindert werden.
- - Das Leistungsverhältnis zwischen der Gasseite und der Dampfseite kann während des Betriebes angepaßt werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Steuerung der Ausgangsleistung bei der
Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett (1), wobei
während der Verbrennung erzeugte Energie mindestens teilweise
als Wärme mittels Wärmeübertragungsflächen (21,22) entnommen
wird, welche in oder stromabwärts des Wirbelbettes
angeordnet sind, wobei ferner die Wärmeübertragungsflächen von
einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden und
die Ausgangswärme in mindestens einer Dampfturbine (24,25),
die an die Wärmeübertragungsflächen angeschlossen ist,
verwertet wird, wobei ferner die Wärmeübertragungsflächen so
beschaffen sind, daß sie einen Hochdruckteil (7) mit
mindestens einer Wärmeübertragungsfläche in Form eines
Verdampfers (21) enthalten und einen Niederdruckteil (8) mit einer
Wärmeübertragungsfläche in Form mindestens eines
Zwischenüberhitzers (22) enthalten, wobei ferner die in den heißen,
unter Druck stehenden Abgasen enthaltene Energie in
mindestens einer Gasturbine (26), die in dem Abgaspfad
stromabwärts des Wirbelbetts angeordnet ist, genutzt wird, und
wobei ferner im Falle von Änderungen der Ausgangsleistung die
Bettiefe des Wirbelbettes unter Beibehaltung der
Leistungsverteilung zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine
durch Steuerung der durch die Wärmeübertragungsflächen
entnommenen Leistung verändert wird, dadurch
gekennzeichnet,
- daß im Falle einer Änderung der Bettiefe als Folge einer
Änderung der Ausgangsleistung zu dem Verdampfer (21)
gehörende Wärmeübertragungsflächen vom Wirbelbett (1)
freigelegt, beziehungsweise vom Wirbelbett (1) bedeckt
werden, wodurch die Erzeugung von Hochdruckdampf, also die
Verdampferleistung, gesteuert wird,
- daß zur gleichen Zeit die Wärmemenge, welche dem
Wirbelbett durch den Zwischenüberhitzer (22) entzogen wird,
durch Steuerung der mittleren Temperatur-Differenz
zwischen dem Wirbelbett und einem Medium, welches den
Zwischenüberhitzer in Form von Niederdruckdampf durchströmt,
gesteuert wird und der Niederdruckdampf überhitzt wird,
und
- daß zur gleichen Zeit der Temperatur-/Energiegehalt des
Hochdruckdampfes durch Überhitzung von Hochdruckdampf
welcher im Verdampfer erzeugt wurde, mittels
Niederdruckdampf vom Zwischenüberhitzer in mindestens einem
Wärmetauscher (23) gesteuert wird, der außerhalb des
Wirbelbettes (1) angeordnet ist, bevor der Hochdruckdampf in
einer Hochdruck-Dampfturbine (25) entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmemenge, welche dem Wirbelbett
entnommen wird, dadurch gesteuert wird, daß der in der
Hochdruck-Dampfturbine (25) entspannte Dampf nach seiner
Entspannung in Form von Niederdruckdampf aufgeteilt wird in
eine Teilmenge, die dem Zwischenüberhitzer (22) zugeführt
wird, und eine Teilmenge, welche an dem Zwischenüberhitzer
(22) vorbeigeleitet wird, daß die mittlere
Temperatur-Differenz zwischen dem Wirbelbett und dem Niederdruckdampf
gesteuert wird und der Niederdruckdampf, ohne daß der Druck
wesentlich geändert wird, auf eine hohe Temperatur
aufgeheizt wird, und daß die genannten Teilmengen von
Niederdruckdampf stromabwärts des Zwischenüberhitzers vermischt
werden und mindestens einem außerhalb des Wirbelbettes
angeordneten Wärmetauscher (23) zugeführt werden zur Steuerung
der Temperatur von Hochdruckdampf, welcher der Hochdruck-
Dampfturbine (25) zugeführt wird, bevor der Niederdruckdampf
in einer Niederdruck-Dampfturbine (24) entspannt wird.
3. Vorrichtung zur Steuerung der Ausgangsleistung bei der
Verbrennung von Brennstoff in einem Wirbelbett (1), bei dem
Energie, welche durch Verbrennung erzeugt wurde, zumindest
teilweise als Wärme mittels Wärmeübertragungsflächen (21,22)
entnommen werden kann, welche in oder stromabwärts des
Wirbelbetts angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsflächen
von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt
werden können und die entnommene Wärme in mindestens einer
Dampfturbine (24,25) genutzt werden kann, welche an die
Wärmeübertragungsflächen angeschlossen ist, wobei ferner die
Wärmeübertragungsflächen einen Hochdruckteil (7) mit
mindestens einer Wärmeübertragungsfläche in Form eines
Verdampfers (21) enthalten und einen Niederdruckteil (8) mit einer
Wärmeübertragungsfläche in Form eines oder mehrerer
Zwischenüberhitzer (22) enthalten, wobei ferner mindestens eine
Gasturbine (26) stromabwärts des Wirbelbetts in einer
Abgasleitung (29) angeordnet ist zur Ausnutzung von Energie,
welche in den heißen unter Druck stehenden Abgasen enthalten
ist, und wobei die Bettiefe des Wirbelbettes zur Steuerung
der Ausgangsleistung geändert werden kann und das
Leistungsgleichgewicht zwischen Gasturbine und Dampfturbine durch
Steuerung der Leistung, welche den Wärmeübertragungsflächen
entzogen wird, aufrecht erhalten werden kann
dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(21) zur Erzeugung von Hochdruckdampf im Falle einer
Änderung der Bettiefe vom Wirbelbett freigelegt oder mit dem
Wirbelbett bedeckt werden kann, wodurch die Erzeugung von
Hochdruckdampf gesteuert wird, daß der Zwischenüberhitzer
(22) zu einem Niederdruckkreis (8) gehört, welcher den
Zwischenüberhitzer zur Überhitzung des Niederdruckdampfes und
mindestens einen Wärmetauscher (23) enthält, der außerhalb
des Wirbelbettes zur Überhitzung von Hochdruckdampf
angeordnet ist, sowie mindestens eine Umgehungsleitung (3) und
mindestens ein Ventil (4) enthält zur Steuerung der mittleren
Temperatur-Differenz zwischen dem Wirbelbett und dem im
Niederdruckkreis fließenden Medium, nämlich Niederdruckdampf,
wodurch die Wärme gesteuert wird, welche dem Wirbelbett
entnommen wird, und daß der Wärmetauscher den Energieinhalt/die
Temperatur des in dem Verdampfer erzeugten Hochdruckdampf
mittels Niederdruckdampf zu steuern vermag, welcher im
Zwischenüberhitzer
überhitzt wurde, bevor der Hochdruckdampf in
einer Hochdruck-Dampfturbine (25) entspannt wird, die dicht
am Wärmetauscher angeordnet ist.
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