EP0010254A1 - Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie in einem Gegendruckdampfsystem - Google Patents
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- F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
- F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic
Definitions
- the invention relates to a method for generating energy in a counter-pressure steam system, in which water vapor is expanded while performing work.
- counter-pressure steam systems are power plants that serve to cover the power and heat requirements at the same time and enable a comprehensive utilization of the fuel heat.
- the steam of high pressure and high temperature generated in a steam boiler first serves to drive a high-pressure turbine in which the steam is expanded into a first steam rail to a required temperature or a required pressure level.
- steam can be drawn off from this steam rail both to cover the heat requirement of the system and can be expanded in a turbine into another steam rail with a lower pressure level.
- the invention is therefore based on the object of developing a method with which the power-heat ratio can be increased in a counter-pressure steam system of the type described.
- This object is achieved according to the invention in that the steam of one of the existing pressure levels before the work-relieving expansion is heated first isobarically by heat exchange with expanded steam and then with external heat, and is cooled essentially isobarically after the expansion to one of the existing lower pressure levels.
- steam from a steam rail was simply expanded via a turbine onto a steam rail of a lower pressure level
- the steam is first reheated by heat from the relaxed steam and then with external heat, for example in a fuel-fired heater, and only then, if necessary in several stages, relaxed.
- the steam can be subjected to these process steps at any of the existing pressure levels. In this way, the proportion of mechanical energy generated in the turbines and thus the power-heat ratio is increased. Thereby the primary energy is used for the provision of the foreign heat far superior to the previous auxiliary power generation.
- the steam Due to the recuperative heating, the steam is raised to a relatively high temperature level, so that the external heat that is subsequently supplied to the steam is used optimally, ie is absorbed at a very high temperature level. Since the energy yield of the additional energy generation increases with the temperature of the steam before the expansion, the highest possible temperature of the steam is desirable. The highest temperature that can be achieved in the heater is only limited by the material properties of the heater. Another advantage of the recuperative heating is the fact that with increasing temperature of the heat source, through which the external heat is provided, the temperature of the steam supplied to the heat source also increases, and thus the heat of the heat source is optimally used in all temperature ranges. With an ideal gas and with arbitrarily small temperature differences during recuperative heat exchange, the turbine output would be equal to the external heat absorbed.
- the expanded steam After isobaric cooling, the expanded steam still has a higher heat content than, for example, the expanded steam only in a turbine according to a conventional method. Therefore, according to an advantageous embodiment of the inventive concept, this excess heat can be used to heat a heat consumer.
- the working medium to be heated can be used as an additional heat extraction process.
- the excess heat for the preheating of the counterpressure steam system itself since then the additional process is suitable taking into account the losses in the heater gives an efficiency of 0.9.
- the steam throughput of the counter-pressure steam system can be reduced.
- the method according to the invention enables the increase in the power-heat ratio within the counter-pressure operation with a much better efficiency than in conventional methods.
- the high efficiency is due to the higher specific energy generation corresponding to the higher temperature level of the steam before the expansion or to the reduction of the required external heat. If condensation turbines are used in a system that works according to the proposed method, the amount of cooling water is also reduced in comparison to conventional systems with condensation turbines, since the amount of steam for the condensation turbines can be reduced as a result of the increased power-heat ratio of the back pressure operation.
- the steam of the counter-pressure steam system shown is generated in an evaporator 1, expanded in a high-pressure turbine 2 to a pressure of, for example, 39.2 10 5 / m 2 and fed into the medium-pressure steam rail at a temperature of 642 K.
- the steam from this rail insofar as it was not consumed by heat consumers 11, was expanded directly into the low-pressure steam rail 16 via a turbine.
- the steam is first heated essentially isobarically.
- a recuperator 3 is used, in which part of the steam of the medium-pressure steam rail is heated to a temperature of 770 K, and a fuel-fired heater 4, in which the steam temperature is raised to 993 K.
- the steam at this high temperature level is expanded in a turbine 5 connected to the heater to the pressure of the rail 16 with, for example, 9.8 10 5 N / m 2 and is introduced into the recuperator 3 via line 8 for isobaric cooling in the heat exchange with steam to be heated.
- the temperature of the steam emerging from the turbine at 791 K drops to 653 K in recuperator 3.
- This steam has a higher heat content than the conventional solution.
- This excess heat is dissipated in the illustrated embodiment in the heat exchange with feed water for the evaporator 1.
- the recuperator 3 is connected to a heat exchanger 6, from which the steam emerges at 494 K and enters the low-pressure steam rail 16.
- the feed water is fed to the heat exchanger 6 via a line 14, which branches off from the line 17 for the condensate recirculation, and is then fed back into line 17.
- the steam of the low-pressure steam rail 16 is fed to low-pressure process steam consumers 10 and condensed.
- a number of pumps 12, 13 corresponding to the number of steam rails increases the pressure of the condensate and supplies the steam boiler 1 with feed water.
- the following table 1 shows the temperature, pressure, specific enthalpy and specific entropy of the steam for the exemplary embodiment described at the points designated by letters a to f in the sketch.
- Table 2 shows the specific consumption figures and outputs of the process example shown.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie in einem Gegendruckdampfsystem, bei dem Wasserdampf arbeitsleistend entspannt wird.
- Als Gegendruckdampfsystemewerden hierbei Kraftanlagen bezeichnet, die zur gleichzeitigen Deckung des Kraft- und Wärmebedarfs dienen und eine umfassende Ausnutzung der Brennstoffwärme ermöglichen. In derartigen Systemen dient der in einem Dampfkessel erzeugte Wasserdampf hohen Druckes und hoher Temperatur zunächst dem Antrieb einer Hochdruckturbine, in der der Dampf in-eine erste Dampfschiene auf eine geforderte Temperatur oder ein benötigtes Druckniveau entspannt wird. Aus dieser Dampfschiene kann nach bekannten Verfahren Dampf sowohl zur Deckung des Wärmebedarfs der Anlage abgezogen als auch in einer Turbine in eine andere Dampfschiene mit einem niedrigeren Druckniveau entspannt werden.
- Anlagen der angegebenen Art sind in "Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft" 38, 1976, Seiten 3 bis 8 beschrieben.
- Bei kraftintensiven Industriezweigen kann der Bedarf an elektrischer oder auch mechanischer Energie durch eine Anlage der erläuterten Art nicht vollständig gedeckt werden. Dies ist beispielsweise bei dem Dampfsystemen der im obengenannten Artikel beschriebenen Olefin- und Ammoniakanlagen der Fall. Es ist daher erforderlich, zusätzlich Strom oder mechanische Energie in einem reinen Kraft-Prozess mit verhältnismäßig unbefriedigender Primärenergieausnutzung zu erzeugen oder teuren Fremdstrom zu beziehen.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem in einem Gegendruckdampfsystem der beschriebenen Art das Kraft-Wärmeverhältnis erhöht werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dampf eines der vorhandenen Druckniveaus vor der arbeitsleistenden Entspannung zunächst durch Wärmetausch mit entspanntem Dampf und anschließend mit Fremdwärme im wesentlichen isobar erhitzt und nach der Entspannung auf eines der vorhandenen tiefer gelegenen Druckniveaus im wesentlichen isobar gekühlt wird.
- Wurde nach den bekannten Verfahren Dampf einer Dampfschiene einfach über eine Turbine auf eine Dampfschiene eines niedrigeren Druckniveaus entspannt, so wird der Dampf erfindungsgemäß zunächst rekuperativ durch Wärme des entspannten Dampfes und anschließend mit Fremdwärme, z.B. in einem brennstoffbefeuerten Erhitzer, nacherhitzt'und erst dann, gegebenenfalls in mehreren Stufen, entspannt. Diesen Verfahrensschritten kann der Dampf jedes beliebigen der vorhandenen Druckniveaus unterzogen werden. Auf diese Weise wird der Anteil der in den Turbinen erzeugten mechanischen Energie und damit das Kraft-Wärmeverhältnis erhöht. Dabei ist die Ausnutzung der Primärenergie für die Bereitstellung der Fremdwärme der bisherigen Zusatzstromerzeugung weit überlegen. Durch die rekuperative Erhitzung wird der Dampf auf eine relativ hohes Temperaturniveau gehoben, so daß die Fremdwärme, die dem Dampf nachfolgend zugeführt wird, optimal genutzt, d.h. auf sehr hohem Temperaturniveau aufgenommen wird. Da die Energieausbeute der zusätzlichen Energieerzeugung mit wachsender Temperatur des Dampfes vor der Entspannung steigt, ist eine möglichst hohe Temperatur des Dampfes wünschenswert. Die im Erhitzer erzielbare höchste Temperatur ist nur durch die Materialeigenschaften des Erhitzers begrenzt. Ein weiterer Vorteil der rekuperativen Erhitzung ist darin zu sehen, daß mit steigender Temperatur der Wärmequelle, durch die die Fremdwärme bereitgestellt wird, auch die Temperatur des der Wärmequelle zugeführten Dampfes wächst und somit die Wärme der Wärmequelle in allen Temperaturbereichen optimal genutzt wird. Bei einem idealen Gas und bei beliebig kleinen Temperaturdifferenzen beim rekuperativen Wärmetausch wäre die abgegebene Turbinenleistung gleich der aufgenommenen Fremdwärme.
- Die zusätzliche Energie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad erzeugt, als etwa die durch einen reinen Kraft-Prozess bereitge- stellte Energie.
- Der entspannte Dampf besitzt nach der isobaren Kühlung noch immer einen höheren Wärmeinhalt als z.B. der nach einem konventionellen Verfahren nur in einer Turbine entspannte Dampf. Daher kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens dieser Wärmeüberschuß zur Erwärmung eines Wärmeabnehmers verwendet werden. Als Wärmeabnehmer kann das zu erhitzende Arbeitsmedium eines zusätzlichen Karftprozesses dienen. Es ist aber von Vorteil, den Wärmeüberschußizur Speisewasservorwärmung des Gegendruckdampfsystems selbst heranzuziehen, da sich dann für das Zusatzverfahren unter Berücksichtigung der Verluste im Erhitzer ein Wirkungsgrad von 0,9 ergibt. In einer alternativen Verfahrensweise kann - mit dem gleichen Wirkungsgrad für das Zusatzverfahren - der Dampfdurchsatz des Gegendruckdampfsystemes reduziert werden. Schließlich ist es mögliche den Wärmeüberschuß des entspannten und isobar gekühlten Dampfes direkt in eine Dampfschiene niedrigeren Druckniveaus zu leiten, d.h. den isobar gekühlten Dampf ohne weitere Kühlung mit einem Wärmeabnehmer direkt in diese Dampfschiene einzuspeisen.
- Insgesamt kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Erhöhung des Kraft-Wärmeverhältnisses innerhalb des Gegendruckbetriebes mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad als in konventionellen Verfahren ermöglicht. Wie beschrieben, ist der hohe Wirkungsgrad auf die dem höheren Temperaturniveau des Dampfres vor der Entspannung entsprechende höhere spezifische Energieerzeugung bzw. auf die Verringerung der erforderlichen Fremdwärme zurückzuführen. Werden in einer Anlage, die nach dem vorgeschlagenen Verfahren arbeiten, Kondensationsturbinen eingesetzt, verringert sich darüber hinaus im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen mit Kondensationsturbinen die Kühlwassermenge, da infolge des erhöhten Kraft-Wärmeverhältnisses des Gegendruckbetriebes die Dampfmenge für die Kondensationsturbinen reduziert werden kann.
- Anhand einer schematischen Skizze soll im folgenden ein Ausführungsbeispiel einer Anlage beschrieben und erläutert wer der, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
- Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich zwei Dampfschienen, eine Mitteldruckdampfschiene 15 und eine Niederdruckdampfschiene 16 dargestellt. Die Zahl der Dampfschienen ist aber nicht auf zwei begrenzt.
- Der Dampf des dargestellten Gegendruckdampfsystems wird in einem Verdampfer 1 erzeugt, in einer Hochdruckturbine 2 auf einen Druck von z.B. 39,2 105/m2 entspannt und mit einer Temperatur von 642 K in die Mitteldruckdampfschiene eingespeist. In herkömmlichen Verfahren wurde der Dampf dieser Schiene, soweit er nicht von Wärmeabnehmern 11 verbraucht wurde, über eine Turbine direkt in die Niederdruckdampfschiene 16 entspannt. Erfindungsgemäß wird der Dampf jedoch zunächst im wesentlichen isobar erhitzt. Dazu dient ein Rekuperator 3, in dem ein Teil des Dampfes der Mitteldruckdampfschiene auf eine Temperatur von 770 K erhitzt, und ein brennstoffbefeuerter Erhitzer 4, in dem die Dampftemperatur auf 993 K gehoben wird. Der Dampf dieses hohen Temperaturniveaus wird in einer an den Erhitzer angeschlossenen Turbine 5 auf den Druck der Schiene 16 mit beispielsweise 9,8 105 N/m2 entspannt und zur isobaren Kühlung im Wärmetausch mit anzuwärmendem Dampf über Leitung 8 in den Rekuperator 3 eingeleitet. Die Temperatur des mit 791 K aus der Turbine austretenden Dampfes sinkt im Rekuperator 3 auf 653 K. Dieser Dampf besitzt im Vergleich mit der konventionellen Lösung einen höheren Wärmeinhalt. Dieser Wärmeüberschuß wird im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wärmetausch mit Speisewasser für den Verdampfer 1 abgeführt. Dazu ist der Rekuperator 3 mit einem Wärmetauscher 6 verbunden, aus dem der Dampf mit 494 K aus- und in die Niederdruckdampfschiene 16 eintritt. Das Speisewasser wird dem Wärmetauscher 6 über eine Leitung 14, die von der Leitung 17 für die Kondensatrückführung abzweigt, zugeleitet und anschließend wieder in Leitung 17 eingespeist. Der Dampf der Niederdruckdampfschiene 16 wird Niederdruck-Prozessdampf-Verbrauchern 10 zugeführt und kondensiert. Eine der Zahl der Dampfschienen entsprechende Zahl an Pumpen 12,13 erhöht den Druck des Kondensates und versorgt den Dampfkessel 1 mit Speisewasser. i
- In der folgenden Tabelle 1 sind Temperatur, Druck, spezifische Enthalpie und spezifische Entropie des Dampfes für das beschriebene Ausführungsbeispiel an den in der Skizze mit Buchstaben a bis f bezeichneten Stellen angegeben.
- In der Tabelle 2 sind die spezifischen Verbrauchszahlen bzw. Leistungen des dargestellten Verfahrensbeispiels aufgeführt.
- Wurde bei der konventionellen Lösung Dampf über eine zwischen die Dampfschienen 15 und 16 geschaltete Turbine entspannt, so konnte dieser Turbine pro kg Dampf eine Energie von 266 kJ entnommen werden. Erfindungsgemäß wird der Dampf der Mitteldruckdampfschiene erhitzt. Dazu werden im Erhitzer 4 514 kJ pro kg Dampf übertragen. Im Rekuperator 6 werden davon 345 kJ pro kg rückgewonnen, so daß sich ein Mehrverbrauch von 169 kJ pro kg Dampf ergibt, da die im Rekuperator rückgewonnene Wärme Brennstoffwärme für den Verdampfer 1 ersetzt. Gegenüber der konventionellen Lösung liefert die Turbine pro kg Dampf 169 kJ (ohne Berücksbhtigung des Erhitzerwirkungsgrades) mehr Energie. Der Wirkungsgrad des Zusatzverfahrens ist somit 1 bzw. 0,9, wenn der Erhitzerwirkungsgrad, der für den Verdampfer 1 und den Erhitzer 4 gleich sein soll, berücksichtigt wird.
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