EP0000135A1 - Anlage zur zentralen Erzeugung von thermischer Nutzenergie - Google Patents

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EP0000135A1
EP0000135A1 EP78100136A EP78100136A EP0000135A1 EP 0000135 A1 EP0000135 A1 EP 0000135A1 EP 78100136 A EP78100136 A EP 78100136A EP 78100136 A EP78100136 A EP 78100136A EP 0000135 A1 EP0000135 A1 EP 0000135A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
turbine
compressor
transfer medium
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP78100136A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Schüller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri AG Germany
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Germany filed Critical BBC Brown Boveri AG Germany
Publication of EP0000135A1 publication Critical patent/EP0000135A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a system for the central generation of thermal energy for the remote supply of consumers with at least one turbine, in particular a back pressure steam turbine, which is followed by at least one heat exchanger for delivering useful heat to at least one heat transfer medium.
  • the invention is based on the object of specifying a system for the central generation of useful thermal energy of the type mentioned, in particular a system for the remote supply of consumers, which has at least largely the thermodynamic advantages of the coupled generation of mechanical and thermal useful energy with simultaneous independence from the generation of electrical energy.
  • the structure of the system should be simple and fully meet the operational requirements.
  • the solution to this problem in "a system of the type mentioned in the present invention is that the turbine is designed to drive the compressor of a heat pump that raises the ambient heat to a higher temperature level and emits useful heat to the heat transfer medium.
  • thermoelectric The heat energy obtained from fossil and / or nuclear fuels and transferred to a working medium such as steam or propellant gas is converted into mechanical drive energy in the steam or gas turbine and used to drive the heat pump, whereby the ambient heat raised by the heat pump to a higher temperature level, and at least the waste heat of the turbine, is given off as useful heat to the heat transfer medium.
  • the system according to the invention gains importance because of its economy and its simple structure with regard to efforts to save energy and substitute high-quality fossil fuels.
  • a system according to the invention can of course also have several, possibly multi-stage compressors, and several heat pumps can also be provided.
  • the heat pump has an expansion turbine which is coupled to the compressor designed as a turbocompressor and which via at least one heat exchanger which emits the compression heat to the heat transfer medium to the pressure side of the compressor connected.
  • the heat pump can have a closed circuit for the working medium with at least one second heat exchanger, which is connected into the circuit between the expansion turbine and the compressor, for the supply of ambient heat.
  • a steam can be used as the working medium, e.g. Refrigerant and gas such as Serve carbonic acid or air.
  • the system can also be used to generate useful cooling.
  • a particularly recommendable further development can consist in the heat pump having an open circuit for the working medium, the compressor being used to draw in ambient air. is formed and the air outlet of the expansion turbine opens into the environment. Since the ambient heat is fed into the system with the ambient air drawn in, no heat exchanger is required for the supply of ambient heat and the construction effort is reduced.
  • the main advantage of the aforementioned design of the heat pump is, however, that high heat carrier temperatures in the range around 100 ° C can be reached with a good performance figure and the performance figure deteriorates only slightly with falling temperature of the ambient heat.
  • At least one third heat exchanger through which a coolant can flow can also advantageously be connected to the air outlet of the expansion turbine.
  • the system can be used in a simple manner to generate useful cold and / or useful heat.
  • the working medium of the heat pump 8 is supplied to the compressor 2 via an intake line 1.
  • this compressor which is designed as a turbocompressor
  • the gaseous working medium is increased pressure specified by the design of the system is compressed, whereby the working medium heats up.
  • This is then fed to the first heat exchanger 4 via a line 3.
  • the heat exchange between the working medium and the colder heat carrier introduced into the first heat exchanger 4 via the line 5 takes place via heat exchange surfaces.
  • heating water is provided as the heat transfer medium, which is supplied to the heat consumer (s) 10 via the heating water supply line 9 at a predetermined flow temperature.
  • the cooled heating water is fed via line 11 and pump 12 into the heating water return line 13.
  • a predetermined portion of the returning heating water can be regulated via a valve 14 or a regulating element and can be supplied to the first heat exchanger 4 via the line 5.
  • the working medium cooled in the first heat exchanger 4 is fed to the expansion turbine 7 via the line 6. Here it expands and cools down through the expansion process.
  • the cooled and relaxed working medium is introduced via line 40 into the second heat exchanger 41.
  • the working medium is supplied with ambient heat, for example through ambient air, which is supplied to the second heat exchanger 41 via a line 50.
  • the ambient air is conveyed by a fan, not shown.
  • the working medium loaded with ambient heat is discharged through the suction line 1, so that the circuit of the heat pump 8 is closed.
  • the power requirement for driving the compressor 2 is greater than the power released by the expansion of the air in the expansion turbine 7.
  • the still missing drive power for the compressor 2 is applied by the turbine 16, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is designed as a tap-back pressure steam turbine.
  • the turbine 16 is mechanically connected to the compressor 2 via a shaft section 17.
  • the turbine 16 could, however, also be equipped with its own generator for generating electricity and the machine group consisting of the compressor 2 and the expansion turbine 7 could be driven by an electric motor which is fed by the generator.
  • the working steam of the turbine 16 is obtained in a steam generator 18 by using fossil or nuclear fuel.
  • the steam generator 18 is equipped with an overheating device 19 for overheating the working steam.
  • the working steam is supplied to the turbine 16 via the live steam line 20 and the turbine inlet valve 21.
  • the turbine 16 supplies the heat exchangers 22 and 23 with the required exhaust steam and / or tapped steam for heating a partial heat flow, which is removed from the heating water return line 13 and via the shut-off and control element 24 and the line 25 to the heat exchangers 22 and 23 is supplied.
  • the heating steam pressures at the steam extraction points 26, 27 of the turbine are chosen so that approximately the same heating margins of the heat transfer medium occur in the heat exchangers 22 and 23 and the required flow temperature is reached.
  • the heated partial flow of the heat transfer medium is then introduced into the common heating water supply line 9.
  • the extraction points 26 and 27 provided on the turbine 16 for the exhaust steam or bleed steam are connected to the heat exchangers 22 and 23 via lines 29 and 30.
  • the steam condensate from the heat exchanger 23 is introduced via line 31 into the steam space of the heat exchanger 22 which is at a lower vapor pressure and together with the condensate of the heat exchanger 22 via line 32, the condensate pump 33 and the line 34 into the degassing mixer preheater 35 headed. This is via a heating steam line 36 from a suitable heating steam extraction point, e.g. Tapping point 27, supplied with heating steam.
  • Another tapping point 28 is provided for supplying heating steam to a surface feed water preheater 37.
  • a surface feed water preheater 37 Analogously, several feed water heaters connected in series on the feed water side can also be used. Instead of the shown two-stage heating water heating can also be selected one-stage or heating water heating with still further stages. Contrary to the illustration, the working steam of the turbine can be reheated after part expansion, or the working steam can be completely overheated. The details of the circuit in the steam section of the proposed system can be modified according to the respective requirements.
  • the feed pump 38 conveys the feed water via the feed water preheater 37 and the line 39 into the steam generator 18, whereby the water-steam cycle of the system is closed.
  • a partial stream of the heat transfer medium is taken from the heating water return line 13 during operation of the system, heated in the heat exchangers 22 and 23 and 4 and fed to the heating water supply line 9.
  • the heat required for the heating is taken from the exhaust steam and / or bleed steam from the turbine 16 and the heat pump 8. Since the heat pump 8 is essentially driven by the turbine 16, it is thus possible with the present system to take advantage of the thermodynamic advantages of the coupled energy generation for the sole generation of thermal useful energy.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of the system according to FIG. 1.
  • the system according to FIG. 2 has an open circuit heat pump for the working medium.
  • the intake line 1 opens into the environment, and the compressor 1 thus draws in ambient air with ambient pressure and temperature.
  • the line 40 which is connected to the air outlet of the expansion turbine 7, opens into the environment.
  • a third heat exchanger 44 through which a coolant flows, is switched on in line 40.
  • the heated coolant coming from the cold consumers, for example air conditioning systems enters the third heat exchanger 44 via the line 42, is cooled here with the release of ambient heat and flows to the cold consumers via the line 45.
  • a pump 43 maintains the circulation.
  • the fluids already mentioned can be used as the coolant.
  • FIG. 3 finally shows an embodiment variant of the plant according to FIG. 2, the plant according to FIG. 3 having a gas turbine for generating the mechanical energy.
  • a gas turbine is used as the turbine 16, which is supplied with propellant gas as working medium via a line 46, which is generated in a combustion chamber 47.
  • the air required for the combustion of the fuel such as gas or oil, is compressed together with the secondary air required to maintain the specified design temperature of the working gas in a turbocompressor 48 and is fed to the combustion chamber 47 together with the fuel.
  • the turbocompressor 48 is coupled to the turbine 16 for driving, so that the compressor 2, expansion turbine 7, turbine 16 and turbocompressor 48 are connected to one another on the drive side.
  • the expanded propellant gas is supplied to the heat exchanger 49 which, like the heat exchangers 22, 23 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 or 2, is acted upon by the heat transfer medium.
  • the main advantage of the systems according to the invention is, above all, the reduction in the use of primary energy in the supply of useful heat compared to known heating plants or compared to individual furnaces and in avoiding the disadvantages of known heating plants.
  • the required fuel heat that is to be supplied to the steam generator 18 is calculated from:
  • the ratio of the fuel utilization factors is a measure of the possible reduction in the primary energy use of a system according to the invention compared to a heating supply with known heating plants.
  • the average efficiency of the heat transfer to the heating water can be approximately at best can be expected.

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Abstract

Eine Anlage zur zentralen Erzeugung von thermischer Nutzenergie für die Fernversorgung von Verbrauchern (10) weist eine Turbine (16) auf, der ein oder mehrere Wärmetauscher (22, 23) nachgeschaltet sind. In diesen Wärmetauschern (22, 23) wird der für die Fernversorgung eingesetzte Wärmeträger erwärmt.
Um nun die mechanische Energie der Turbine (16) ebenfalls zur Erwärmung des Wärmeträgers einsetzen zu können, treibt die Turbine (16) eine Wärmepumpe (8) an, die der Umgebung Wärme entzieht, auf ein höheres Temperaturniveau anhebt und als Nutzwärme an den Wärmeträger abgibt. Hierdurch ist der Aufwand an Primärenergie geringer als bei einer direkten Erwärmung des Wärmeträgers allein durch Primärenergie.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur zentralen Erzeugung von thermischer Energie für die Fernversorgung von Verbrauchern mit wenigstens einer Turbine, insbesondere einer Gegendruckdampfturbine, der mindestens ein Wärmetauscher zur Abgabe von Nutzwärme an wenigstens einen Wärmeträger nachgeschaltet ist.
  • In bekannten Anlagen dieser Art, die als Fernheizkraftwerke mit Gas- oder Dampfturbinen ausgebildet sind, ist die Erzeugung von thermischer und mechanischer Nutzenergie gekoppelt, wodurch der hierzu erforderliche Aufwand an Primärenergie geringer ist als bei einer getrennten Erzeugung dieser Energiearten. Durch Generatoren, welche an die Turbine angeschlossen sind, wird die mechanische Nutzenergie in elektrische Energie umgeformt und Verbrauchern zugeleitet. Diesem Vorteil der Nutzenergieerzeugung mit verringertem Aufwand an Primärenergie stehen einige Nachteile gegenüber.
  • Dienen solche Anlagen in erster Linie zur Erzeugung von Nutzwärme und wird die hierbei erzeugte elektrische Energie in öffentliche Stromversorgungsnetze eingespeist,.so ist für diese elektrische Energie in vielen Fällen kein kostendeckender Preis zu erreichen, so daß die Gesamtwirtschaftlichkeit einer solchen Anlage in Frage gestellt ist.
  • Um Betriebsstörungen zu begegnen, müssen schließlich noch Reserveeinheiten zur Stromversorgung vorgesehen sein, wodurch die Wirtschaftlichkeit weiter verringert wird.
  • Rüstet man andererseits Kraftwerke, die für die Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen und meist weitab'von Wohngebieten aufgestellt sind, mit Zusatzeinrichtungen zur Erzeugung von Heizwärme aus, so muß diese Heizwärme über große Entfernungen zu den einzelnen Verbrauchern geleitet werden, wodurch hauptsächlich bei geringer Belastung und Kapazität erhebliche - Kosten entstehen. Zudem ist bei vorgegebener Leistungsgröße der Wärmequelle des Kraftwerkes mit einer Verringerung der Stromerzeugung zu rechnen, so daß für die Ersatzstrombeschaffung zusätzliche Aufwendungen erforderlich sind, welche die Wirtschaftlichkeit beeinflussen.
  • Der Hauptgrund für die Nachteile der bekannten Hei.z-kraftwerke ist jedoch darin zu sehen, daß sich der tageszeitlich und jahreszeitlich sehr schwankende Bedarf an elektrischer und thermischer Nutzenergie nicht deckt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur zentralen Erzeugung von thermischer Nutzenergie der eingangs genannten Art, insbesondere eine Anlage zur Fernversorgung von Verbrauchern, anzugeben, welche die thermodynamischen Vorteile der gekoppelten Erzeugung von mechanischer und thermischer Nutzenergie zumindest weitgehend aufweist bei gleichzeitiger Unabhängigkeit von der Erzeugung von elektrischer Energie. Darüberhinaus soll die-Anlage in ihrem Aufbau einfach und den betrieblichen Anforderungen voll gewachsen sein.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei" einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß die Turbine als Antrieb des Verdichters einer die Umgebungswärme auf ein höheres Temperaturniveau anhebenden und als Nutzwärme an den Wärmeträger abgebenden Wärmepumpe ausgebildet ist.
  • Die aus fossilen und/oder nuklearen Brennstoffen gewonnene und an ein Arbeitsmedium wie Dampf oder Treibgas übertragene Wärmeenergie wird in der Dampf- bzw. Gas-Turbine in mechanische Antriebsenergie umgewandelt und zum Antrieb der Wärmepumpe ausgenutzt, wobei die von der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau angehobene Umgebungswärme sowie mindestens die Abwärme der Turbine als Nutzwärme an den Wärmeträger abgegeben wird. Hierdurch sind die thermo- dynamischen Vorteile der gekoppelten Erzeugung von thermischer und mechanischer Nutzenergie gewahrt, gleichzeitig entfallen jedoch die mit einer Stromerzeugung verbundenen Nachteile, wie hoher Maschinen-und Bedienungsaufwand sowie die Probleme des Stromverkaufs der bekannten Anlagen gemäß dem Stand der Technik.
  • Da ein beachtlicher Teil der verbrauchten Primärenergie für die Deckung von thermischer Nutzenergie eingesetzt wird, gewinnt die Anlage gemäß der Erfindung wegen ihrer Wirtschaftlichkeit und ihres einfachen Aufbaus im Hinblick auf die Bestrebungen zur Energieeinsparung und Substitution hochwertiger fossiler Brennstoffe an Bedeutung.
  • .Eine Anlage gemäß der Erfindung kann selbstverständlich auch mehrere, gegebenenfalls mehrstufige Verdichter aufweisen, ebenso können mehrere Wärmepumpen vorgesehen sein.
  • Als Wärmepumpe kann eines der bekannten Systeme mit Verdichter dienen, besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Wärmepumpe eine Entspannungsturbine aufweist, die an den als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter gekuppelt ist und die über mindestens einen die Verdichtungwärme an den Wärmeträger abgebenden Wärmetauscher an die Druckseite des Verdichters angeschlossen ist. Durch die Entspannung des verdichteten Arbeitsmediums in der Entspannungsturbine und durch die Ausnutzung der hierbei gewonnenen mechanischen Energie für den Antrieb des Verdichters ist die von der Turbine zu liefernde Antriebsenergie verringert. Hierdurch kann die Turbine mit geringerer Leistung, d.h. billiger ausgebildet werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung.der Erfindung kann die Wärmepumpe einen geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium aufweisen mit wenigstens einem zwischen Entspannungsturbine und Verdichter in den Kreislauf eingeschalteten zweiten Wärmetauscher für die Zufuhr von Umgebungswärme. Als Arbeitsmedium kann hierbei ein Dampf z.B. Kältemittel uder ein Gas wie z.B. Kohlensäure oder Luft dienen.
  • Wird hierbei die Umgebungswärme einem Kälteträger ent-, zogen, so kann die Anlage gleichzeitig zur Erzeugung von Nutzkälte eingesetzt werden.
  • Eine besonders empfehlenswerte andere Weiterbildung kann darin bestehen, daß die Wärmepumpe einen offenen Kreislauf für das Arbeitsmedium aufweist, wobei der Verdichter für die Ansaugung von Umgebungsluft ausge- . bildet ist und der Luftauslaß der Entspannungsturbine in die Umgebung mündet. Da hierbei die Umgebungswärme mit der angesaugten Umgebungsluft dem System zugeführt wird, ist kein Wärmetauscher für die Zufuhr von Umgebungswärme erforderlich und der Bauaufwand verringert.
  • Der Hauptvorteil der vorgenannten Ausbildung der Wärmepumpe ist jedoch darin zu sehen, daß hohe Wärmeträgertemperaturen bis in den Bereich um 100° C bei guter Leistungsziffer erreichbar sind und sich hierbei die Leistungsziffer mit fallender Temperatur der Umgebungswärme nur geringfügig verschlechtert..
  • Auch kann vorteilhaft an den Luftauslaß der Entspannungsturbine wenigstens ein von einem Kälteträger durchströmbarer dritter Wärmetauscher angeschlossen sein. Hierdurch ist die Anlage auf einfache Weise zur Erzeugung von Nutzkälte und/oder Nutzwärme einsetzbar.
  • Weitere Vorteile und empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den schematischen Figuren hervor. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1 eine Anlage zur Erzeugung von Nutzwärme mit einem Dampferzeuger und einer Gegendruckdampfturbine und einer Wärmepumpe mit geschlossenem Kreislauf,
    • Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 mit einer Wärmepumpe mit offenem Kreislauf und
    • . Fig. 3 eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Fig. 2 mit einer Gas-Turbine.
  • In den Zeichnungen sind gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das Arbeitsmedium der Wärmepumpe 8 über eine Ansaugleitung 1 dem Verdichter 2 zugeführt. In diesem Verdichter, der als Turboverdichter ausgebildet ist, wird das gasförmige Arbeitsmedium auf einen höheren durch die Auslegung der Anlage vorgegebenen Druck verdichtet, wobei sich das Arbeitsmedium erwärmt. Anschließend wird dieses über eine Leitung 3 dem ersten Wärmetauscher 4 zugeführt. In diesem erfolgt über Wärmeaustauschflächen der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem kälteren, über die Leitung 5 in den ersten Wärmetauscher 4 eingeleiteten Wärmeträger. In'den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist als Wärmeträger Heizwasser vorgesehen, das mit vorgegebener Vorlauftemperatur über die Heizwasser-Vorlaufleitung 9 dem oder den Wärmeverbrauchern 10 zugeleitet wird. Das abgekühlte Heizwasser wird über die Leitung 11 und die Pumpe 12 in die Heizwasser- Rücklaufleitung 13 eingespeist. Über ein Ventil 14 oder ein Regelorgan kann eine vorgegebene Teilmenge des rücklaufenden Heizwassers geregelt und über die Leitung 5 dem ersten Wärmetauscher 4 zugeleitet werden.
  • Das im ersten Wärmetauscher 4 abgekühlte Arbeitsmedium wird über die Leitung 6 der Entspannungsturbine 7 zugeführt. Hier expandiert dieses und kühlt sich durch den Expansionsvorgang ab. Das abgekühlte und entspannte Arbeitsmedium wird über die Leitung 40 in den zweiten Wärmetauscher 41 eingeleitet. Hier wird dem Arbeitsmedium Umgebungswärme zugeführt z.B. durch Umgebungsluft, die über eine Leitung 50 dem zweiten Wärmetauscher 41 zugeführt wird. Die Umgebungsluft wird hierbei von einem nicht dargestellten Ventilator gefördert. Günstiger jedoch ist es, die Umgebungswärme einem zugeführten Kälteträger wie Wasser, Sole oder Kältemittel zu'entziehen und den abgekühlten Kälteträger auszunutzen z.B. für die Klimatisierung oder gewerbliche Zwecke. Schließlich wird das mit Umgebungswärme beladene Arbeitsmedium durch die Ansaugleitung 1 abgeführt, so daß der Kreislauf der Wärmepumpe 8 geschlossen ist.
  • Die durch Expansion der Luft in der Entspannungs-. turbine 7 freigesetzte mechanische Energie wird zum Antrieb des Verdichters 2 ausgenutzt. Aus diesem Grunde sind die Wellen von Verdichter und Entspannungsturbine über ein gemeinsames Wellenstück 1.5 mechanisch miteinander verbunden.
  • Der Leistungsbedarf für den Antrieb des Verdichters 2 ist größer als die durch die Expansion der Luft in der Entspannungsturbine 7 freigesetzte Leistung. Die noch fehlende Antriebsleistung für den Verdichter 2 wird von der Turbine 16 aufgebracht, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als Anzapf-GegendruckDampfturbine ausgebildet ist. Die Turbine 16 ist hier über ein-Wellenstück 17 mit dem Verdichter 2 mechanisch verbunden. Abweichend von diesen Darstellungen könnte die Turbine 16 aber auch mit einem eigenen Generator zur Stromerzeugung ausgerüstet sein und der Antrieb der aus Verdichter 2 und Entspannungsturbine 7 bestehenden Maschinengruppe könnte über einen Elektromotor erfolgen, der vom Generator gespeist wird.
  • Der Arbeitsdampf der Turbine 16 wird in einem Dampferzeuger 18 durch Einsatz fossilen oder nuklearen Brennstoffes gewonnen. Der Dampferzeuger 18 ist mit einer Überhitzungseinrichtung 19 zur Überhitzung des Arbeitsdampfes ausgerüstet. Der Arbeitsdampf wird über die Frischdampfleitung 20 und das Turbinen-Einlaßventil 21 der Turbine 16 zugeführt.
  • Die Turbine 16 versorgt die Wärmetauscher 22 und 23 mit dem erforderlichen Abdampf und/oder Anzapfdampf zur Erwärmung eines Wärmeträger-Teilstromes,.der der Heizwasser-Rücklaufleitung 13 entnommen und über das Absperr- und Regelorgan 24 und die Leitung 25 den wärmeträgerseitig hintereinandergeschalteten Wärmetauschern 22 und 23 zugeführt wird. Die Heizdampfdrücke an den Dampfentnahmestellen 26, 27 der Turbine sind dabei so gewählt, daß etwa gleichgroße Aufwärmspannen des Wärmeträgers in den Wärmetauschern 22 und 23 auftreten und die verlangte Vorlauftemperatur erreicht wird. Der erwärmte Teilstrom des Wärmeträgers wird dann in die gemeinsame Heizwasser-Vorlaufleitung 9 eingeleitet.
  • Die an der Turbine 16 vorgesehenen Entnahmestellen 26 und 27 für den Abdampf bzw. Anzapfdampf sind über Leitungen 29 und 30 mit den Wärmetauschern 22 und 23 verbunden. Das Dampfkondensat aus dem Wärmetauscher 23 wird über die Leitung.31 in den Dampfraum des unter geringerem Dampfdruck'stehenden Wärmetauschers 22 eingeleitet und zusammen mit dem Kondensat des Wärmetauschers 22 über die Leitung 32, die Kondensatpumpe 33 und die Leitung 34 in den Entgaser-Mischvorwärmer 35 geleitet. Dieser wird über eine Heizdampfleitung 36 aus einer geeigneten Heizdampf-Entnahmestelle, z.B. Entnahmestelle 27, mit Heizdampf versorgt.
  • Eine weitere Entnahmestelle 28 ist zur Heizdampfversorgung eines Oberflächen-Speisewasservorwärmers 37 vorgesehen. Sinngemäß können auch mehrere speisewasserseitig hintereinandergeschaltete Speisewassererwärmer zur Anwendung kommen. Statt der dargestellten zweistufigen Heizwassererwärmung kann auch eine einstufige oder eine Heizwassererwärmung mit noch weiteren Stufen gewählt werden. Entgegen der Darstellung kann der Arbeitsdampf der Turbine nach Teileypansion zwischenüberhitzt werden, oder es kann auf die Überhitzung des Arbeitsdampfes ganz verzichtet wererden. Die Einzelheiten der Kreislaufschaltung im Dampfteil der vorgeschlagenen Anlage können den jeweiligen Erfordernissen entsprechend abgewandelt werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel fördert die Speisepumpe 38 das Speisewasser über den Speisewasservorwärmer 37 und die Leitung 39 in den Dampferzeuger 18, womit der Wasser-Dampfkreislauf der Anlage geschlossen ist.
  • Die Anordnung der Turbine 16, des Verdichters 2 und der Entspannungsturbine 7 auf einer gemeinsamen im Leistungsgleichgewicht stehenden Welle 15 und 17 bietet die Möglichkeit einer verlustarmen Drehzahlregelung dieser Maschinengruppe.
  • Wie sich aus Vorstehendem ergibt, wird während des Betriebs der Anlage jeweils ein Teilstrom des Wärmeträgers der Heizwasser-Rücklaufleitung'13 entnommen, in den Wärmetauschern 22 und 23 sowie 4 erwärmt und der Heizwasser-Vorlaufleitung 9 zugeführt. Die für die Erwärmung benötigte Wärme wird hierbei dem Ab- 'dampf und/oder Anzapfdampf der Turbine 16 sowie der Wärmepumpe 8 entnommen. Da die Wärmepumpe 8 im wesentlichen von der Turbine 16 angetrieben wird, ist es mit der vorliegenden Anlage somit möglich, die thermodynamischen Vorteile der gekoppelten Energieerzeugung für die alleinige Erzeugung von thermischer Nutzenergie auszunutzen.
  • In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Anlage gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Unterschied zwischen beiden Anlagen besteht darin, daß die Anlage nach Fig. 2 eine Wärmepumpe mit offenem Kreislauf für' das Arbeitsmedium aufweist. Hierzu mündet die Ansaugleitung 1 in die Umgebung, es wird vom Verdichter 1 somit Umgebungsluft mit Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur angesaugt. Dementsprechend mündet die Leitung 40, welche an den Luftauslaß der Entspannungsturbine 7 angeschlossen ist, in die Umgebung.
    Hierbei ist in die Leitung 40 ein dritter Wärmetauscher 44 eingeschaltet, der von einem Kälteträger durchströmt wird. Der von den Kälteverbrauchern, z.B. Klimaanlagen, kommende erwärmte Kälteträger tritt über die Leitung 42 in den dritten Wärmetauscher 44 ein, wird hier unter Abgabe von Umgebungswärme abgekühlt und strömt über die Leitung 45 den Kälteverbrauchern zu. Eine Pumpe 43 hält hierbei die Zirkulation aufrecht. Als Kälteträger können die bereits erwähnten Fluide eingesetzt werden.
  • Figur 3 zeigt schließlich eine Ausführungsvariante der Anlage gemäß Fig. 2, wobei die Anlage nach Fig. 3 eine Gasturbine für die Erzeugung der mechanischen Energie aufweist.
  • Demnach ist als Turbine 16 eine Gasturbine eingesetzt, die über eine Leitung'46 mit Treibgas als Arbeitsmedium versorgt wird, welches in einer Brennkammer 47 erzeugt wird.
  • Die für die Verbrennung des Brennstoffes, wie Gas oder Öl, erforderliche Luft wird zusammen mit der zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Auslegungstemperatur des Arbeitsgases erforderlichen Sekundärluft in einen Turbokompressor 48 verdichtet und zusammen mit dem Brennstoff der Brennkammer 47 zugeführt. Der Turbokompressor 48 ist für den Antrieb an die Turbine 16 gekuppelt, so daß Verdichter 2, Entspannungsturbine 7, Turbine 16 und Turbokompressor 48 antriebsseitig miteinander verbunden sind.
  • Nach dem Austritt aus der Turbine 16 wird das entspannte Treibgas dem Wärmetauscher 49 zugeführt, der wie die Wärmetauscher 22, 23 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 oder 2 vom Wärmeträger beaufschlagt wird.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Anlagen liegt vor allem in der Verringerung des Primärenergieeinsatzes bei der Nutzwärmeversorgung gegenüber bekannten Heizwerken oder gegenüber Einzelfeuerungen und in der Vermeidung der Nachteile von bekannten Heizkraftwerken.
  • Der Vorteil des geringeren Primärenergieeinsatzes gegenüber bekannten Heizwerken oder Einzelfeuerungen soll anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 durch Aufstellung der äußeren Wärmebilanz nachgewiesen werden:
  • Für die als Wärmepumpe wirkende Maschinengruppe mit Verdichter 2 und Entspannungsturbine 7 gelte die Leistungsziffer:
    Figure imgb0001
    • Hierin ist QH(WP) [KJ/S] ; die im ersten Wärmetauscher 4 nutzbar an das Heizwasser übertragene Wärme
    • QWP [KW] ; die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe
  • Die Leistungskennziffer der Dampf-Turbine 16 ist:
    Figure imgb0002
    • Hierin bedeuten QH(DT) [KJ/S] ; die in den dampfbeheizten Wärmetauschern 22 und 23 nutzbar an das Heizwasser übertragene Wärme
    • PDT [KW] ; die Leistungsabgabe der Dampfturbine
  • Die erforderliche Brennstoffwärme, die'dem Dampferzeuger 18 zuzuführen ist, errechnet sich aus:
    Figure imgb0003
    • Hierin ist QBR [KJ/S] ; die dem Dampferzeuger zuzuführende Brennstoffwärme
    • ηDE [-] ; der Wirkungsgrad des Dampferzeugers
  • Bei Vernachlässigung geringfügiger sonstiger äußerer Verluste gilt:
    • Leistungsabgabe der Dampf-Turbine = Leistungsaufnahme der Wärmepumpe
      Figure imgb0004
    • gesamte Heizleistung QH = im ersten Wärmetauscher 4 nutzbar an das Heizwasser übertragene Wärme plus in den Wärmetauschern 22 und 23 nutzbar an das Heizwasser übertragene Wärme

    bzw.
    Figure imgb0005
  • Führt man den Brennstoffausnutzungsfaktor
    Figure imgb0006
    als dimensionslose Kenngröße ein, so ergibt sich mit den vorher definierten Größen für das Ausführungs- beispiel gemäß Fig. 1 die'Beziehung:
    Figure imgb0007
  • Für ein Heizwerk gemäß dem Stand der Technik ist sinngemäß der Brennstoffausnutzungsfaktor
    Figure imgb0008
    Hierin bedeuten
    • ηHW [-] ; der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vom Brennstoff an das Heizwasser, z.B. in einem Heißwasser-Kessel
  • Das Verhältnis der Brennstoffausnutzungsfaktoren ist ein Maß für die mögliche Verringerung des Primärenergieeinsatzes einer Anlage gemäß der Erfindung gegenüber einer Heizwärmeversorgung mit bekannten Heizwerken.
    Figure imgb0009
  • Setzt man vereinfachend'
    Figure imgb0010
    und setzt man in.obige Beziehung realisierbare Werte, z.B.
    Figure imgb0011
    Figure imgb0012
    ein, so ergibt sich der Zahlenwert für dieses Beispiel mit
    Figure imgb0013
  • Das heißt, der Aufwand an Primärenergie ist bei einer Anlage gemäß der Erfindung wesentlich geringer als bei bekannten Heizwerken.
  • Bei Einzelfeuerung kann mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung an das Heizwasser von günstigstenfalls etwa
    Figure imgb0014
    gerechnet werden.
  • Unterstellt man einen Dampferzeugerwirkungsgrad von
    Figure imgb0015
    so ist das Verhältnis der Brennstoffausnutzungsfaktoren einer Anlage nach der Erfindung gegenüber der Heizwärmeversorgung mit Einzelfeuerung:
    Figure imgb0016
    oder mit den entsprechenden Zahlenwerten:
    Figure imgb0017
  • Damit ist der quantitative Nachweis der möglichen Brennstoffeinsparung der erfindungsgemäßen Anlagen gegenüber konkurrierenden bekannten Verfahren der Heizwärmeversorgung erbracht.
  • Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile durch Ausnutzung der kalten Seite der Wärmepumpe zu Kühlzwecken.

Claims (7)

1. Anlage zur zentralen Erzeugung von thermischer Nutzenergie für die Fernversorgung von Verbrauchern mit mindestens einer Turbine (16), insbesondere einer Gegendruckdampfturbine, der mindestens ein Wärmetauscher (22, 23, 49) zur Abgabe von Nutzwärme an wenigstens einen Wärmeträger nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (16) als Antrieb des Verdichters (2) wenigstens einer die Umgebungswärme auf ein höheres Temperaturniveau anhebenden und als Nutzwärme an den Wärmeträger abgebenden Wärmepumpe (8) ausgebildet ist,
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (8) eine Entspannungsturbine (7) aufweist, die an den als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter (2) gekuppelt ist und die über mindestens einen die Verdichtungswärme an den Wärmeträger abgebenden ersten Wärmetauscher (4) an die Druckseite des Verdichters (2) angeschlossen ist.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (8) einen geschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium aufweist mit wenigstens einem zwischen Entspannungsturbine (7) und Verdichter (2) in den-Kreislauf eingeschalteten zweiten Wärmetauscher (41) für die Zufuhr von Umgebungswärme. (Fig.1)
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (41) für die Zufuhr von Umgebungswärme von einem Kälteträger durchströmbar ist.
5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (8) einen offenen Kreislauf für das Arbeitsmedium aufweist, wobei der Verdichter (2) für die Ansaugung von Umgebungsluft ausgebildet ist und der Luftauslaß der Entspannungsturbine (7) in die Umgebung mündet. (Fig. 2)
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Luftauslaß der Entspannungsturbine (7) wenigstens ein von einem Kälteträger durchströmbarer dritter Wärmetauscher (44) angeschlossen ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Turbine (16) regelbar ist.
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