EP1429858A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen entgasung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur thermischen entgasung

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Publication number
EP1429858A1
EP1429858A1 EP02765176A EP02765176A EP1429858A1 EP 1429858 A1 EP1429858 A1 EP 1429858A1 EP 02765176 A EP02765176 A EP 02765176A EP 02765176 A EP02765176 A EP 02765176A EP 1429858 A1 EP1429858 A1 EP 1429858A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
steam
volume
pressure
drum
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Withdrawn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
EP02765176A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erhard Liebig
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.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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 Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Publication of EP1429858A1 publication Critical patent/EP1429858A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/106—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle with water evaporated or preheated at different pressures in exhaust boiler
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0005—Degasification of liquids with one or more auxiliary substances
    • 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
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. It also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
  • the water-steam cycle of a steam power plant or a combined cycle power plant essentially comprises a boiler or waste heat boiler as a steam generator, a steam turbine, a condenser, a feed water tank / degasser, as well as pumps and pipes. It is a system with very high cleanliness requirements for the work equipment as well as a special water-chemical procedure to reduce corrosion and deposits.
  • the waste heat boiler of a combination system consists of up to 3 pressure levels for steam generation at different pressure levels.
  • a pressure stage includes an economizer or preheater and an evaporator, and possibly also a steam drum and a superheater.
  • the working fluid must be degassed, which can be done, for example, by a thermal process. Degassing of the working fluid is particularly important if the system was at ambient pressure or was open, in particular after revisions or during cold starts. Degassing is also important when large amounts of make-up water flow in.
  • thermal degassing takes place either in the condenser, in the feed water tank / degasser, or by means of a degasser placed on the low-pressure drum.
  • the latter two variants are investment-intensive due to the additional components required.
  • there is an energy disadvantage in these variants due to the need for heating steam for heating a liquid that is slightly undercooled by 5 - 20 K to saturation temperature. The higher the pressure level of the degasser, the greater this disadvantage.
  • EP 0 359 735 B1 proposes a waste heat steam generator in which the steam drum is provided with integrated thermal degassing, and which steam drum, in addition to the function of separating the water / steam mixture, also has the function of storing the Has feed water.
  • the patent specification does not contain any information as to how this integrated thermal degassing is designed or which means for degassing are made available. The figure only shows that it could be a trickle degasser attached.
  • Degassing is not absolutely necessary during the entire operating life of the system if the systems are functioning properly and the systems operating in the vacuum area are leak-tight. For this reason, it does not make sense to ensure permanent good degassing in the case of high investments and constant loss of performance. Rather, it makes more sense to ensure adequate degassing by taking additional measures in the event of special conditions or the implementation of limited-time operations, but to operate the system without this additional degassing during normal operation.
  • the essence of the invention is therefore to realize an integrated thermal degassing, which is based on using the already existing two-phase system consisting of steam and water for degassing.
  • a two-phase mixture is generated from the separately available steam and water phases, which in turn flows into the water volume of the steam system.
  • the degassing is guaranteed to a certain extent by means of an internal steam-water circulation system.
  • This surprisingly simple, yet efficient type of degassing can also be retrofitted to existing condensers, feed water tanks, steam drums and other tanks with few modifications.
  • the simplicity of the solution therefore means that the investment is low compared to the usual degassing variants.
  • the method is characterized in that the water is sucked out of the water volume of a container by means of at least one pump, that is to say a forced circulation is brought about.
  • the water drawn in from the water volume can preferably be conveyed through at least one water jet operated as a jet pump, steam being drawn in from the steam volume of the steam system to form the two-phase mixture through the at least one water jet.
  • a major advantage of this concept is that forced circulation by means of a motor-driven pump can only be guaranteed for the water.
  • the steam is sucked in and mixed with the water using the water jet.
  • Other special devices for sucking in the steam and for mixing the steam with the water are not required.
  • the steam content of the two-phase mixture which flows into the water volume of the steam system is in the range from 2 to 5%.
  • the steam bubble diameters and the injection locations are preferably set in such a way that a residence time of the steam bubbles in the water in the range from 5 to 8 seconds results in an ascent height in the water of at least 60 cm.
  • the two-phase mixture is advantageously introduced into the water volume of the steam system via nozzles arranged below the water level, preferably near the bottom of the container, in particular two-substance nozzles, two-phase nozzles, at a particularly favorable excess pressure of 1 to 2 bar injected, wherein a plurality of nozzles or nozzle pipes is preferably arranged for better mixing.
  • the steam system is a steam system of a waste heat boiler, specifically a steam system consisting of at least one steam drum with at least one evaporator and preferably at least one economizer connected upstream
  • a steam system consisting of at least one steam drum with at least one evaporator and preferably at least one economizer connected upstream
  • the steam volume is the steam volume of the steam drum and the water volume is the water volume of the same steam drum.
  • such a steam drum can also advantageously take over the function of storing the feed water.
  • the steam drum is a low-pressure steam drum, in particular a steam drum of a circulation evaporator with a steam content at the outlet of the evaporator in the range from 10 to 15%.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the functions of degassing and the separation of steam and water to be implemented within the steam drum are spatially separated by a corresponding arrangement of both the nozzles and the inlets coming from the evaporator.
  • the steam drum then has a water inlet, an inflow connection for water to the evaporator and a return flow connection for water and steam from the evaporator, a steam outlet, and a gas outlet.
  • the two-phase mixture flows out via nozzles, preferably on the side of the gas outlet, into the water volume and the two-phase mixture coming from the evaporator is preferably introduced into the steam drum on the side of the steam outlet.
  • a preferred embodiment of a device for carrying out the method is characterized in that the feed water inlet from the economizer and the feed water outlet on the steam drum are arranged opposite one another, with additional flow obstacles, baffles, being advantageously arranged in the water volume, which promote mixing of the water and one Prevent direct flow through the steam drum.
  • the gas outlet and the steam outlet on the steam drum can be arranged opposite one another, in particular additional devices in the Steam volumes are arranged, which favor a directed flow of the expelled gases and the steam generated.
  • the evaporator is arranged in the waste heat boiler through which hot exhaust gases from an exhaust gas generator flow, and the system consisting of exhaust gas generator and waste heat boiler is regulated in such a way that the steam generation in the evaporator corresponds to the requirements of the degassing. With such a special driving style, the steam losses are reduced or avoided.
  • the same goal of reducing or avoiding steam losses can be achieved by partially or completely bypassing the economizer.
  • By getting significantly subcooled water into the steam drum some or all of the steam generated in the evaporator is used to preheat the feed water.
  • the system of evaporator and steam drum then works partially or completely as a preheater.
  • the circulation system for example the emitter system for thermal degassing of the water of the steam system, can be switched off under the condition of a degassing that is not required; in this case the circulation pump is not in operation.
  • Figure 1 is a schematic representation of a combined cycle power plant.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section of the low-pressure steam drum with means for thermal
  • FIG. 3 shows a section through a condenser with means for thermal degassing
  • FIG. 4 shows a feed water tank with means for thermal degassing.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a combined cycle power plant, on the basis of which the design of the degassing according to the invention is to be explained.
  • the same reference numerals are used to describe the device and the method, for example, for a line (e.g. feed water line) and the medium flowing therein (e.g. feed water).
  • a line e.g. feed water line
  • the medium flowing therein e.g. feed water
  • the system shown in FIG. 1 is, for example, a so-called single-shaft system, in which the gas turbine group GA and steam turbine group DA with the generator G are on a shaft W.
  • the generator G is arranged between the gas turbine group GA and the steam turbine group DA.
  • An automatically acting clutch K is arranged in the shaft train between steam turbine group DA and generator G, which ensures power transmission when the steam turbine is running at least synchronously with the generator and the gas turbine group.
  • the heat contained in the exhaust gas 7 of the gas turbine group GA is used in a waste heat boiler 8 to generate steam.
  • the water supplied to the waste heat boiler 8 is preheated in this waste heat boiler 8, evaporated and possibly overheated.
  • the steam generated in the waste heat boiler 8 serves to drive the steam turbine group DA.
  • the steam expanded in the steam turbine group DA, waste steam 10, is condensed in the condenser 11 and fed again to the waste heat boiler 8.
  • the gas turbine group GA consists of a compressor 1, a combustion chamber 2 and a turbine 3.
  • intake air 4 is compressed in a compressor 1, then supplied to the combustion chamber 2 as combustion air 5, and the hot gas 6 that is produced there is fed to the turbine 3 managed and processed.
  • the exhaust gas 7 of the gas turbine group is fed to the waste heat boiler 8 and used there to generate steam for operating the steam turbine group DA. After the waste heat boiler 8, the exhaust gas 7 is released into the environment via a chimney 9.
  • Compressor 1, combustion chamber 2 and turbine 3 are combined under the term of gas turbine group GA.
  • a gas turbine group can have multiple combustion chambers and multiple turbines. For example, in the case of gas turbine groups with sequential combustion, a high-pressure combustion chamber with a high-pressure turbine is followed by a low-pressure combustion chamber with a low-pressure turbine.
  • a gas turbine group can also have a plurality of compressors.
  • the steam turbine group DA is shown in simplified form as a steam turbine. It can also be a multi-unit system of various designs consisting of high, medium and low pressure parts.
  • the waste heat boiler 8 is fed from the condenser 11 by means of the condensate pump 13 via the feed water line 14 into the low-pressure (LP) preheater or economizer 15.
  • the actuator 16 in the feed water line 14 is open and the actuator 17 in the bypass line 18 is closed ,
  • the feed water conveyed into the waste heat boiler 8 by means of the condensate pump 13 has a temperature of typically 20 to 45 ° C. (water-cooled condenser) or 30 to 55 ° C. (air-cooled condenser).
  • the feed water is preheated in the low-pressure economizer 15.
  • the feed water preheated in the low-pressure economizer 15 is fed to the low-pressure steam drum 21 via the feed water line 19 and the actuator 20.
  • the low pressure steam drum 21 is connected to the low pressure evaporator 22.
  • the low-pressure steam drum 21 is followed by a low-pressure superheater 23, to which the low-pressure live steam line 24 connects, which leads to the steam turbine group DA.
  • feed water 29 can be conveyed to further pressure stages of the waste heat boiler 8 by means of a further feed water pump 26 via a further feed water line 25, a further actuator 27 and a further economizer 28.
  • the low-pressure steam drum 21 takes over the additional function of the feed water tank in this case.
  • the steam generated in the waste heat boiler 8 in the further pressure stages is fed to the steam turbine group DA via the corresponding high pressure (HD) or medium pressure (MD) live steam lines 30, 31.
  • the steam turbine group DA the steam is expanded to perform work.
  • the exhaust steam 10 of the steam turbine group DA is condensed in the condenser 11.
  • the condensate is fed again to the waste heat boiler 8 by means of the condensate pump 13 via the feed water line 14.
  • the feeding of further pressure stages of the waste heat boiler 8 can alternatively also take place directly from the condenser 11.
  • the low-pressure economizer 15, the low-pressure steam drum 21, the low-pressure evaporator 22 and the low-pressure superheater 23 together form a low-pressure steam system working on one pressure stage.
  • the pipe systems (economizer, evaporator, superheater) arranged for heat transfer from the exhaust gas 7 of the gas turbine group to the feed water or steam in the waste heat boiler 8 are referred to as heating surfaces.
  • the water is fed back to the evaporator, while the steam reaches the steam turbine group directly or via a superheater that may be present.
  • the flow through the evaporator can be designed as a natural circulation or forced circulation.
  • the individual pressure stages of the waste heat boiler can also be designed according to the principle of the once-through evaporator.
  • the described or illustrated arrangement of the low-pressure economizer 15 at the exhaust-side end of the waste heat boiler 8 and the omission of a separate feed water tank / degasser is typical of a gas-fired gas turbine group.
  • the low-pressure economizer 15 can be bypassed to avoid dew point corrosion at the exhaust-side end of the waste heat boiler 8 when switching to the fuel oil. This is done by opening the actuator 17 in the bypass line 18 and closing the actuator 16 in the feed water line 14.
  • the condensate pump 13 provides the interface between the condensate and the feed water system. For this reason, the mass flow until it enters the condensate pump 13 is referred to as condensate. The mass flows from the outlet from the condensate pump 13 are then referred to as feed water.
  • the feed water is degassed in the low-pressure steam drum 21.
  • the process of degassing in the low-pressure steam drum 21 is explained in more detail with reference to the longitudinal section of the low-pressure steam drum 21 shown in FIG.
  • the feed water coming from the low-pressure economizer 15 via the feed water line 19 and the actuator 20 enters the steam drum 21 via the feed water inlet 32.
  • the feed water conveyed via the feed water line 25 to the further pressure stages of the waste heat boiler 8 exits the LP steam drum 21 via the feed water outlet 33.
  • flow obstacles, baffles 47 are arranged which prevent a direct flow through the drum and intensify the mixing of the water in the water volume 37 of the drum.
  • water is conveyed into the low-pressure evaporator 22 by a circulation pump 22a.
  • the returning medium is separated into steam and water in the drum.
  • the separated steam flows over dehumidifiers or steam dryers, not shown, but familiar to the person skilled in the art, to the steam outlet 34, and from there to the Niederuck superheater.
  • Different chemicals are usually contained in certain amounts in the water in the drum 21 to prevent or reduce corrosion and deposits.
  • the thermal degassing of the drum water is based in the present case on a decreasing gas solubility with increasing temperature at constant pressure.
  • the gas solubility is zero in the saturated state.
  • the water In order to drive the gases out of the drum water as completely as possible, the water should be at the saturation temperature as much as possible and also be thoroughly mixed. To improve the escape of the gases from the drum water, this water should have the largest possible surface in relation to the steam. This is achieved by the largest possible standing water surface or by means of suitable measures for distributing the water in the steam or the steam in the water.
  • the term of the two-component nozzle 41 also used in the following is a fixed term familiar to the expert. Since a water-steam mixture is not a mixture of two substances but a mixture of two phases of one substance, the technically exact term would be a two-phase nozzle.
  • the rate of ascent of the vapor bubble after leaving the two-component nozzle 41, the vapor bubble diameter, the water level height, etc. are in complex dependencies.
  • Advantageous for the degassing and the secured vapor bubble rise is a vapor bubble diameter, which ensures a dwell time of the vapor bubbles in the water of 5 to 8 seconds at an ascent height (height difference between the two-substance nozzle 41 and the water surface) of more than 0.6 m. Avoid too large vapor bubbles because they have a smaller surface area and rise too quickly. Steam bubbles that are too small lead to foaming and should therefore also be avoided.
  • the two-component nozzles 41 are preferably operated with an excess pressure of 1 to 2 bar. Due to the steam flowing through the water at boiling temperature or only slightly below it, dissolved gases are expelled from the water and discharged via the gas outlet 35.
  • the functions of degassing and the separation of steam and water are in the illustrated example by a corresponding arrangement of the nozzles 41 on the side of the gas outlet 35 and the introduction of the two-phase mixture coming from the evaporator 22 into the steam drum on the side the steam outlet 34, spatially separated.
  • the arrangement of feed water inlet 32 and feed water outlet 33 as well as gas outlet 35 and steam outlet 34 in connection with the flow obstacles 47 in water volume 37 and devices in steam volume 36 leads from feed water inlet side 32 to feed water outlet side 33 both in water volume 37 and in steam volume 36 to a gas depletion.
  • the drum 21 also has the function of a feed water reservoir can be achieved, a specific mixing of the content water can be effected by flow obstacles arranged in the water volume 37. A direct flow through the steam drum 21 from the feed water inlet 32 to the feed water outlet 33 is prevented, which increases the residence time of the water in the steam drum 21 and thus the degassing effect.
  • the low pressure systems of modern waste heat boilers typically work with the evaporator / steam drum system in a pressure range from 5 to 7 bar, up to a maximum of 10 bar, and thus at temperatures from 150 to 165 ° C up to a maximum of around 180 ° C. Due to the overpressure prevailing in the degassing system, gas discharge from the low-pressure steam drum 21 via the gas outlet 35 into the surroundings is possible in principle without auxiliary systems. Since steam also leaves the LP steam drum 21 with the gas, the gases can be discharged into the environment or into the condenser 11 to avoid steam and water losses.
  • the entire system is preferably regulated and operated in such a way that the steam generation in the evaporator 22 corresponds to the requirements of the degassing.
  • This is advantageously achieved by partially or completely bypassing the low-pressure economizer 15 and operating the low-pressure steam drum 21 and low-pressure evaporator 22 system as feed water preheaters.
  • the steam generated in the low-pressure evaporator 22 thus serves primarily to heat the feed water flowing into the low-pressure steam drum 21.
  • all of the steam generated by the low-pressure evaporator 22 is used to preheat the feed water in the steam drum 21.
  • the degassing is particularly important if, for example, standstills or special modes of operation (addition of make-up water) lead to an increased gas content in the water-steam cycle WDKL have led.
  • the radiator system 38 is not operated. In a preferred embodiment of the method, the combination system is therefore operated with discontinuous degassing.
  • the feed water flows into the drum via the preheater, economizer 15, and low-pressure saturated steam is generated for possibly further overheating and for feeding into the steam turbine.
  • the gas outlet 35 of the drum is then closed in a manner known per se by a shut-off device in such a way that no steam can escape.
  • the system is operated with degassing.
  • the bypass of the economizer is regulated in such a way that at least a predominant part of all the steam generated in the evaporator 22 is used for preheating the feed water; if necessary, a shut-off device (not shown) can also close the low-pressure live steam line or the flow path from the steam outlet 34 of the drum to the low-pressure superheater.
  • the steam turbine is then temporarily operated without additional low-pressure live steam, which temporarily reduces the overall efficiency, but media losses in the water-steam cycle are prevented.
  • the low pressure evaporator system is temporarily operated as a feed water tank with an integrated degasser and preheater function. During start-up or for a certain time afterwards, the LP steam system can be operated in the degassing mode to maintain the water-chemical driving style. Downstream steam systems or pressure stages (as indicated in FIG. 1) are supplied with degassed feed water from the LP steam drum 21. In the case of pressure stages connected in parallel, with separate supply of the steam systems or pressure stages, for example from the condenser 11, the low-pressure evaporator system can be operated in the form of a bypass degasser.
  • the method for degassing according to the invention can also be carried out, for example, in a condenser or in a feed water tank.
  • a condenser with integrated thermal degassing is shown schematically in FIG. 3.
  • Relaxed steam 10 flows into the steam volume 36 of the condenser.
  • the heat exchange surfaces of the condenser are flowed around and through on the one hand by the steam and on the other hand by coolant 12, for example air or cooling water.
  • coolant 12 for example air or cooling water.
  • the condensate is returned to the circuit via the condensate line 14 and the condensate pump 13.
  • the nozzles 41 are arranged in the water volume; In the manner described above, a pump 39 conveys condensate from the water volume 39 to the water jet 40, where steam is drawn in from the steam volume 36 and mixed with the water. The water-steam mixture flows through the nozzles 41 into the water volume 37 and drives out dissolved gases there from the condensate.
  • FIG. 4 finally shows a separate feed water container 42 which is provided for carrying out the method according to the invention.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur thermischen Entgasung des Wassers eines Dampfsystems insbesondere eines Abhitzekessels (8), welches Dampfsystem bevorzugt wenigstens eine Dampftrommel (21), wenigstens einen davorgeschalteten Economizer (15), und wenigstens einen Verdampfer (22) aufweist, wird eine wirtschaftliche, effiziente und konstruktiv einfache Entgasung dadurch erreicht, dass Wasser aus wenigstens einem Wasservolumen (37) angesaugt wird, dieses Wasser mit Dampf aus einem Dampfvolumen (36) versetzt wird, und das entstehende Zweiphasengemisch in das Wasservolumen (37) ausströmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Entgasung
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Der Wasser-Dampf-Kreislauf eines Dampfkraftwerkes oder eines Kombikraftwerkes umfasst im wesentlichen einen Kessel oder Abhitzekessel als Dampferzeuger, eine Dampfturbine, einen Kondensator, einen Speisewasserbehälter/Entgaser, sowie Pumpen und Rohrleitungen. Es handelt sich dabei um ein System mit sehr hohen Reinheitsanforderungen an das Arbeitsmittel sowie einer speziellen wasserchemischen Fahrweise zur Verminderung von Korrosion und Ablagerungen.
Zur optimalen Nutzung der Wärme des Abgases der Gasturbine besteht beispielsweise der Abhitzekessel einer Kombianlage aus bis zu 3 Druckstufen zur Dampferzeugung auf unterschiedlichen Druckniveaus. Zu einer Druckstufe gehören ein Economizer oder Vorwärmer und ein Verdampfer, sowie gegebenenfalls auch eine Dampftrommel und ein Überhitzer. Zur Sicherstellung der chemischen Fahrweise des Wasser-/Dampf-Kreislaufes muss das Arbeitsmittel entgast werden, was beispielsweise durch ein thermisches Verfahren erfolgen kann. Eine Entgasung des Arbeitsmittels ist besonders wichtig, wenn sich das System auf Umgebungsdruck befand oder geöffnet war, also insbesondere nach Revisionen oder bei Kaltstarts. Die Entgasung ist ebenfalls wichtig, wenn grosse Zusatzwassermengen zuströmen. Die thermische Entgasung erfolgt nach dem Stand der Technik entweder im Kondensator, im Speisewasserbehälter/Entgaser, oder durch einen auf der Niederdrucktrommel aufgesetzten Entgaser. Insbesondere die beiden letztgenannten Varianten sind durch die zusätzlich erforderlichen Komponenten investitionsintensiv. Hinzu kommt bei diesen Varianten durch den Bedarf von Heizdampf, für die Aufwärmung einer leicht um 5 - 20 K unterkühlten Flüssigkeit auf Sättigungstemperatur, ein energetischer Nachteil. Je höher der Entgaser bezüglich seines Druckniveaus angeordnet ist, um so grösser ist dieser Nachteil.
Im Zusammenhang mit der thermischen Entgasung des Arbeitsmittels sollte somit darauf geachtet werden, dass der Einsatz von Heizwärme für die Entgasung qualitativ und quantitativ den jeweiligen Erfordernissen entsprechend erfolgt, um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage möglichst gering und zeitlich begrenzt zu mindern.
In diesem Zusammenhang sei auf die EP 0 359 735 B1 hingewiesen, welche einen Abhitze- Dampferzeuger vorschlägt, bei welchem die Dampftrommel mit einer integrierten thermischen Entgasung versehen ist, und welche Dampftrommel neben der Funktion der Trennung des Wasser-Dampfgemisches auch die Funktion der Speicherung des Speisewassers hat. Es geht mit anderen Worten bei der genannten Schrift im wesentlichen darum, durch geeignete Modifikation der Dampftrommel den Speisewasserbehälter/Entgaser im Wasser-/Dampf~ Kreislauf zu vermeiden. Die Patentschrift enthält aber keine Angaben darüber, wie diese integrierte thermische Entgasung ausgestaltet ist, respektive welche Mittel zur Entgasung zur Verfügung gestellt werden. Der Figur ist lediglich zu entnehmen, dass es sich um einen aufgesetzten Rieselentgaser handeln könnte.
Die Entgasung ist bei einwandfreiem Funktionieren der Systeme sowie Dichtheit der im Unterdruckbereich arbeitenden Anlagen nicht zwangsläufig während der gesamten Betriebsdauer der Anlage notwendig. Aus diesem Grunde ist es auch nicht sinnvoll, bei hohen Investitionen und unter ständigem Leistungsverlust eine permanent gute Entgasung sicherzustellen. Es ist vielmehr sinnvoller, für den Fall spezieller Bedingungen oder der Realisierung zeitlich begrenzter Fahrweisen durch zusätzliche Massnahmen eine angemessene Entgasung zu gewährleisten, während des Normalbetriebes die Anlage jedoch ohne diese zusätzliche Entgasung zu betreiben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und insbesondere eine wirtschaftliche, effiziente sowie konstruktiv einfache und durch niedrige Investitionen charakterisierte Entgasung in einem solchen Dampfsystem erlaubt, also welche den Anforderungen des Dampfsystems angepasst ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäss dem Anspruch 1 und einer Vorrichtung ge- mäss dem Anspruch 7 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, eine integrierte thermische Entgasung zu realisieren, welche darauf beruht, das bereits vorhandene Zweiphasensystem bestehend aus Dampf und Wasser zur Entgasung zu nutzen. Dazu wird aus den getrennt vorliegenden Phasen Dampf und Wasser ein Zweiphasengemisch erzeugt, welches wiederum in das Wasservolumen des Dampfsystems ausströmt. Die Entgasung wird gewissermassen über eine systeminterne erzwungene Dampf-Wasser-Zirkulation gewährleistet. Diese überraschend einfache und dennoch effiziente Art der Entgasung kann auch bei bestehenden Kondensatoren, Speisewasserbehältern, Dampftrommeln und anderen Behältern mit wenigen Modifikationen nachgerüstet werden. Die Einfachheit der Lösung führt somit dazu, dass der Investitionsaufwand im Vergleich zu den üblichen Entgasungsvarianten gering ist.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass das Wasser mittels wenigstens einer Pumpe aus dem Wasservolumen eines Behälters angesaugt wird, also eine erzwungene Zirkulation herbeigeführt wird. Vorzugsweise kann dabei das aus dem Wasservolumen angesaugte Wasser durch mindestens einen als Strahlpumpe betriebenen Wasserstrahler gefördert werden, wobei durch den mindestens einen Wasserstrahler Dampf aus dem Dampfvolumen des Dampfsystems zur Bildung des Zweiphasengemisches angesaugt wird. Ein wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes besteht darin, dass nur für das Wasser eine erzwungene Zirkulation mittels einer motorgetriebenen Pumpe zu gewährleisten ist. Das Ansaugen und Vermischen des Dampfes mit dem Wasser erfolgt mittels des Wasserstrahlers. Weitere spezielle Vorrichtungen zum Ansaugen des Dampfes und zur Mischung des Dampfes mit dem Wasser sind nicht erforderlich.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Dampfgehalt des Zweiphasengemisches, welches in das Wasservolumen des Dampfsystems ausströmt, im Bereich von 2 bis 5 %. Bevorzugt werden die Dampfblasendurchmesser und die Eindüsungsorte derart eingestellt, dass eine Verweilzeit der Dampfblasen im Wasser im Bereich von 5 bis 8 sec bei einer Aufstiegshöhe im Wasser von wenigstens 60 cm resultiert. Das Zweiphasengemisch wird vorteilhafterweise über unterhalb des Wasserspiegels, bevorzugt in Bodennähe des Behälters, angeordnete Düsen, insbesondere Zweistoffdüsen, Zweiphasendüsen, bei einem besonders günstigen Überdruck von 1 bis 2 bar in das Wasservolumen des Dampfsystems eingedüst, wobei bevorzugt zur besseren Durchmischung eine Vielzahl von Düsen oder Düsenrohren angeordnet ist.
Für den Fall, dass es sich bei dem Dampfsystem um ein Dampfsystem eines Abhitzekessels handelt, speziell um ein Dampfsystem bestehend aus wenigstens einer Dampftrommel mit wenigstens einem Verdampfer sowie bevorzugt wenigstens einem davorgeschalteten Economizer, ergeben sich einige spezielle Bedingungen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich beim Dampfvolumen um das Dampfvolumen der Dampftrommel handelt und beim Wasservolumen um das Wasservolumen derselben Dampftrommel. Eine solche Dampftrommel kann neben der Separation des vom Verdampfer kommenden Zweiphasengemisches und der Entgasung des Wassers in vorteilhafter Weise auch die Funktion der Speicherung des Speisewassers übernehmen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei der Dampftrommel um eine Niederdruckdampftrommel, insbesondere um eine Dampftrommel eines Umlaufverdampfers mit einem Dampfgehalt am Austritt des Verdampfers im Bereich von 10 bis 15 %.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die innerhalb der Dampftrommel zu realisierenden Funktionen der Entgasung und der Separation von Dampf und Wasser durch eine entsprechende Anordnung sowohl der Düsen als auch der vom Verdampfer kommenden Eintritte räumlich getrennt werden. Die Dampftrommel weist dann einen Wasserzulauf, einen Zuströmanschluss für Wasser zum Verdampfer und einen Rückströmanschluss für Wasser und Dampf vom Verdampfer, einen Dampfaustritt, und einen Gasaustritt auf. Das Zweiphasengemisch strömt über Düsen bevorzugt auf der Seite des Gasaustrittes in das Wasservolumen aus und die Einleitung des vom Verdampfer kommenden Zweiphasengemisches in die Dampftrommel erfolgt bevorzugt auf der Seite des Dampfaustrittes.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Speisewassereintritt vom Economizer und der Speisewasseraustritt an der Dampftrommel gegenüberliegend angeordnet sind, wobei mit Vorteil zusätzliche Strömungshindernisse, Schikanen, im Wasservolumen angeordnet sind, welche eine Durchmischung des Wassers begünstigen und eine direkte Durchströmung der Dampftrommel verhindern. Analog können der Gasaustritt und der Dampfaustritt an der Dampftrommel gegenüberliegend angeordnet werden, wobei insbesondere zusätzliche Vorrichtungen im Dampfvolumen angeordnet sind, welche eine gerichtete Abstömung der ausgetriebenen Gase und des erzeugten Dampfes begünstigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampfer im von heissen Abgasen eines Abgaserzeugers durchströmten Abhitzekessel angeordnet, und das System aus Abgaserzeuger und Abhitzekessel wird derart geregelt, dass die Dampferzeugung im Verdampfer den Erfordernissen der Entgasung entspricht. Mit einer derartig speziellen Fahrweise werden die Dampfverluste verringert bzw. vermieden.
Das gleiche Ziel der Verringerung bzw. Vermeidung von Dampfverlusten lässt sich durch teilweises oder vollständiges Bypassen des Economizers erreichen. Indem deutlich unter- kühltes Wasser in die Dampftrommel gelangt, wird der im Verdampfer erzeugte Dampf teilweise oder vollständig zur Vorwärmung des Speisewassers verbraucht. Das System aus Verdampfer und Dampftrommel arbeitet dann teilweise oder vollständig als Vorwärmer.
Ausserdem kann unter der Bedingung einer nicht erforderlichen Entgasung das Zirkulationssystem, beispielsweise das Strahlersystem zur thermischen Entgasung des Wassers des Dampfsystems abgeschaltet werden; die Zirkulationspumpe ist in diesem Fall nicht in Betrieb.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kombikraftwerkes;
Fig. 2 einen Längsschnitt der Niederdruck-Dampftrommel mit Mitteln zur thermischen
Entgasung; Fig. 3 einen Schnitt durch einen Kondensator mit Mitteln zur thermischen Entgasung und Fig. 4 einen Speisewasserbehälter mit Mitteln zur thermischen Entgasung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung eines Kombikraftwerkes, anhand derer die erfin- dungsgemässe Ausgestaltung der Entgasung erläutert werden soll. Im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel werden zur Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens teilweise gleiche Bezugszeichen beispielsweise für eine Leitung (z. B. Speisewasserleitung) und das darin strömende Medium (z. B. Speisewasser) verwendet. Dem Fachmann erschliessen sich diese Unterschiede aus den Zusammenhängen jedoch problemlos.
Bei der in Figur 1 dargestellten Anlage handelt sich beispielhaft um eine sogenannte Einwellenanlage, bei welcher sich die Gasturbogruppe GA und Dampfturbogruppe DA mit dem Generator G auf einer Welle W befinden. Der Generator G ist zwischen Gasturbogruppe GA und Dampfturbogruppe DA angeordnet. Im Wellenstrang zwischen Dampfturbogruppe DA und Generator G ist eine selbsttätig wirkende Kupplung K angeordnet, die eine Kraftübertragung sicherstellt, wenn die Dampfturbine wenigstens synchron mit dem Generator und der Gasturbogruppe läuft.
Bei einem Kombikraftwerk wird die im Abgas 7 der Gasturbogruppe GA enthaltene Wärme in einem Abhitzekessel 8 zur Dampferzeugung genutzt. Das dem Abhitzekessel 8 zugeführte Wasser wird in diesem Abhitzekessel 8 vorgewärmt, verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Der im Abhitzekessel 8 erzeugte Dampf dient dem Antrieb der Dampfturbogruppe DA. Der in der Dampfturbogruppe DA entspannte Dampf, Abdampf 10, wird im Kondensator 11 kondensiert und erneut dem Abhitzekessel 8 zugeführt.
Die Gasturbogruppe GA besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Verdichter 1 , einer Brennkammer 2 und einer Turbine 3. In der Gasturbogruppe GA wird Ansaugluft 4 in einem Verdichter 1 verdichtet, dann als Verbrennungsluft 5 der Brennkammer 2 zugeführt, das dort entstehende Heissgas 6 auf die Turbine 3 geleitet und abgearbeitet. Das Abgas 7 der Gasturbogruppe wird dem Abhitzekessel 8 zugeführt und dort zur Erzeugung von Dampf zum Betrieb der Dampfturbogruppe DA genutzt. Nach dem Abhitzekessel 8 wird das Abgas 7 über einen Kamin 9 an die Umgebung abgegeben.
Unter dem Begriff der Gasturbogruppe GA sind der Verdichter 1, die Brennkammer 2 und die Turbine 3 zusammengefasst. Eine Gasturbogruppe kann dabei mehrere Brennkammern und mehrere Turbinen aufweisen. So sind beispielsweise bei Gasturbogruppen mit sequentieller Verbrennung einer Hochdruckbrennkammer mit Hochdruckturbine eine Niederdruckbrennkammer mit Niederdruckturbine nachgeschaltet. Auch kann eine Gasturbogruppe mehrere Verdichter aufweisen.
Im vorliegenden Fall ist die Dampfturbogruppe DA vereinfacht als eine Dampfturbine dargestellt. Es kann es sich durchaus auch um eine mehrgehäusige Anlage unterschiedlichster Ausführung bestehend aus Hoch-, Mittel- und Niederdruckteil handeln. Die Speisung des Abhitzekessels 8 erfolgt aus dem Kondensator 11 mittels der Kondensatpumpe 13 über die Speisewasserleitung 14 in den Niederdruck(ND)-Vorwärmer oder - Economizer 15. Dabei ist das Stellorgan 16 in der Speisewasserleitung 14 geöffnet und das Stellorgan 17 in der Bypassleitung 18 geschlossen. Das mittels der Kondensatpumpe 13 in den Abhitzekessel 8 geförderte Speisewasser hat eine Temperatur von typischerweise 20 bis 45 °C (wassergekühlter Kondensator) bzw. 30 bis 55 °C (luftgekühlter Kondensator).
Im Abhitzekessel 8 wird das Speisewasser im Niederdruck-Economizer 15 vorgewärmt. Das im Niederdruck-Economizer 15 vorgewärmte Speisewasser wird über die Speisewasserleitung 19 und das Stellorgan 20 der Niederdruck-Dampftrommel 21 zugeführt. Die Niederdruck-Dampftrommel 21 steht mit dem Niederdruck-Verdampfer 22 in Verbindung. Weiter folgt der Niederdruck-Dampftrommel 21 ein Niederruck-Überhitzer 23, an welchem die Niederdruck-Frischdampfleitung 24 anschliesst, die zur Dampfturbogruppe DA führt.
Von der Niederdruck-Dampftrommel 21 kann mittels einer weiteren Speisewasserpumpe 26 über eine weitere Speisewasserleitung 25, ein weiteres Stellorgan 27 und einen weiteren Economizer 28 Speisewasser 29 zu weiteren Druckstufen des Abhitzekessels 8 gefördert werden. Die Niederdruck-Dampftrommel 21 übernimmt in diesem Fall die zusätzliche Funktion des Speisewasserbehälters. Der im Abhitzekessel 8 in den weiteren Druckstufen erzeugte Dampf wird der Dampfturbogruppe DA über die entsprechenden Hochdruck(HD)- bzw. Mittel- druck(MD)- Frischdampfleitungen 30,31 zugeführt. In der Dampfturbogruppe DA wird der Dampf arbeitleistend entspannt. Der Abdampf 10 der Dampfturbogruppe DA wird im Kondensator 11 kondensiert. Das Kondensat wird mittels der Kondensatpumpe 13 über die Speisewasserleitung 14 erneut dem Abhitzekessel 8 zugeführt.
Die Speisung weiterer Druckstufen des Abhitzekessels 8 kann alternativ auch direkt aus dem Kondensator 11 erfolgen.
Der Niederdruck-Economizer 15, die Niederdruck-Dampftrommel 21 , der Niederdruck- Verdampfer 22 und der Niederdruck-Überhitzer 23 bilden zusammen ein auf einer Druckstufe arbeitendes Niederdruck-Dampfsystem.
Die zur Wärmeübertragung vom Abgas 7 der Gasturbogruppe an das Speisewasser bzw. den Dampf im Abhitzekessel 8 angeordneten Rohrsysteme (Economizer, Verdampfer, Ueberhit- zer) werden als Heizflächen bezeichnet.
Im vorliegenden Fall wurde ein Abhitzekessel mit einem Trommel-Umlaufverdampfer beschrieben. Daher wird das durch den Economizer vorgewärmte Speisewasser in die Dampftrommel gefördert. Das Trommelwasser wird im System Dampftrommel-Verdampfer umge- wälzt und dabei anteilig verdampft. Das vom Verdampfer kommende Zweiphasengemisch tritt üblicherweise direkt in das Trommelwasser ein oder läuft über Primärseparatoren in das Trommelwasser ab. In der Dampftrommel erfolgt die Separation von Wasser und Dampf. Damit besteht die Dampftrommel aus einem Wasser- und einem Dampfvolumen. Dampftrommeln sind üblicherweise liegende zylindrische Behälter. Für die Separation von Dampf und Wasser ist eine grosse Wasseroberfläche vorteilhaft. Der Wasserspiegel befindet sich daher bei Normalbetrieb etwa in der Trommelmitte. Das Wasser wird erneut dem Verdampfer zugeführt, während der Dampf direkt oder über einen möglicherweise vorhandenen Überhitzer zur Dampfturbogruppe gelangt. Die Strömung durch den Verdampfer kann als Naturumlauf oder Zwangsumlauf ausgeführt sein. Die einzelnen Druckstufen des Abhitzekessels können aber auch nach dem Prinzip des Zwangdurchlaufverdampfers ausgeführt sein.
Die beschriebene bzw. dargestellte Anordnung des Niederdruck-Economizers 15 am ab- gasseitigen Ende des Abhitzekessels 8 und der Verzicht auf einen separaten Speisewasserbehälter/Entgaser ist typisch für eine gasgefeuerte Gasturbogruppe. Zur Vermeidung von Taupunktkorrosion am abgasseitigen Ende des Abhitzekessel 8 bei Umschaltung auf den Brennstoff Öl kann der Niederdruck-Economizer 15 gebypasst werden. Dies geschieht indem das Stellorgan 17 in der Bypassleitung 18 geöffnet und das Stellorgan 16 in der Speisewasserleitung 14 geschlossen wird.
Selbstverständlich können zusätzlich weitere hier nicht erwähnte Systeme innerhalb des Wasser-/Dampf-Kreislaufes WDKL vorhanden sein, wie beispielsweise ein dem Fachmann ohne weiteres geläufiges Rezirkulationssystem zur Anhebung der kondensatseitigen Eintrittstemperatur in den ND-Economizers 15 zur Verhinderung von abgasseitiger Korrosion durch Taupunktunterschreitung im Fall sehr niedriger Speisewassertemperaturen oder bei Ölfeue- rung.
Nach dem Durchströmen des Abhitzekessels 8 gelangt das Abgas 7 schliesslich über einen Kamin 9 ins Freie.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Speisewasserbehälter/Entgaser nicht vorhanden ist, stellt die Kondensatpumpe 13 die Schnittstelle zwischen dem Kondensat- und dem Speisewassersystem. Aus diesem Grunde wird der Massenstrom bis zum Eintritt in die Kondensatpumpe 13 als Kondensat bezeichnet. Die Massenströme ab dem Austritt aus der Kondensatpumpe 13 werden dann als Speisewasser bezeichnet.
Die Entgasung des Speisewassers erfolgt im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in der Niederdruck-Dampftrommel 21. Das Verfahren der Entgasung in der Niederdruck-Dampftrommel 21 wird anhand des in Figur 2 dargestellten Längsschnittes der Niederdruck-Dampftrommel 21 näher erläutert. Das über die Speisewasserleitung 19 und das Stellorgan 20 vom Niederdruck-Economizer 15 kommende Speisewasser tritt über den Speisewassereintritt 32 in die Dampftrommel 21 ein. Das über die Speisewasserleitung 25 zu den weiteren Druckstufen des Abhitzekessels 8 geförderte Speisewasser tritt über den Speisewasseraustritt 33 aus der ND-Dampftrommel 21 aus. In dem Strömungsweg des Wassers vom Eintritt 32 zum Austritt 25 sind Strömungshindernisse, Schikanen, 47 angeordnet, die eine direkte Durchströmung der Trommel verhindern, und die Durchmischung des Wassers im Wasservolumen 37 der Trommel intensivieren. Weiterhin wird Wasser von einer Umwälzpumpe 22a in den Niederdruckverdampfer 22 gefördert. Das Zurückströmende Medium wird in der Trommel in Dampf und Wasser separiert. Der separierte Dampf strömt über nicht dargestellte, dem Fachmann aber geläufige, Entfeuchter bzw. Dampftrockner zum Dampfaustritt 34, und von dort zum Niederuck-Überhitzer.
Üblicherweise sind in dem in der Trommel 21 befindlichen Wasser zur Verhinderung oder Verringerung von Korrosion und Ablagerungen unterschiedliche Chemikalien in bestimmten Mengen enthalten.
Die thermische Entgasung des Trommelwassers beruht im vorliegenden Fall auf einer abnehmenden Gaslöslichkeit mit steigender Temperatur bei konstantem Druck. Im Sättigungszustand ist die Gaslöslichkeit Null. Zum möglichst vollständigen Austreiben der Gase aus dem Trommelwasser sollte sich das Wasser möglichst auf Sättigungstemperatur und zudem in starker Durchmischung befinden. Zur Verbesserung des Austretens der Gase aus dem Trommelwasser sollte dieses Wasser eine möglichst grosse Oberfläche gegenüber dem Dampf haben. Man erreicht dies durch eine möglichst grosse stehende Wasseroberfläche oder mittels geeigneter Massnahmen zur Verteilung des Wassers im Dampf oder des Dampfes im Wasser.
Unter normalen Betriebsbedingungen befindet sich das Wasser in der Niederdruck- Dampftrommel 21 im Sättigungszustand. Damit ist hinsichtlich der Entgasung die Temperaturbedingung erfüllt.
Um ferner das gesamte Wasservolumen in starkem Masse zu durchmischen und eine möglichst grosse Oberfläche zwischen Wassers und Dampf zu erreichen, wird nach dem Prinzip „Verteilung des Dampfes im Wasser" Dampf über ein Düsensystem im Wasservolumen 37 möglichst fein verteilt. Dies wird mit dem wassergetriebenen Strahlersystem 38 realisiert. Mittels einer oder mehrerer Pumpen 39 wird Wasser aus dem Wasservolumen 37 der Trom- mel 21 angesaugt und durch einen oder mehrere als Strahlpumpe wirkende Wasserstrahler 40 gepumpt. Mittels einer oder mehrerer Wasserstrahler 40 wird Dampf aus dem Dampfvolumen 36 der ND-Dampftrommel 21 angesaugt. Das Gemisch aus Wasser und Dampf wird über eine oder mehrere Zweistoffdüsen 41 in das Wasservolumen 37 eingeleitet. Bei einem Dampfgehalt im Gemisch von vorzugsweise 2 bis 5 % sorgen die eine oder mehrere Zweistoffdüsen 41 für Dampfblasen mit einer vorteilhaften Grosse und damit für eine grosse Oberfläche zwischen Wasser und Dampf.
Der auch im folgenden verwendete Begriff der Zweistoffdüse 41 ist ein der Fachwelt geläufiger feststehender Begriff. Da es sich bei einem Wasser-Dampf-Gemisch nicht um ein Gemisch aus zwei Stoffen sondern um ein Gemisch zweier Phasen eines Stoffes handelt, wäre die technisch exakte Bezeichnung Zweiphasendüse.
Die Aufstiegsgeschwindigkeit des Dampfblasen nach dem Verlassen der Zweistoffdüse 41 , der Dampfblasendurchmesser, die Wasserspiegelhöhe usw. befinden sich in komplexen Abhängigkeiten. Vorteilhaft für die Entgasung und den gesicherten Dampfblasenaufstieg ist ein Dampfblasendurchmesser, welcher eine Verweilzeit der Dampfblasen im Wasser von 5 bis 8 Sekunden bei einer Aufstiegshöhe (Höhendifferenz zwischen Zweistoffdüse 41 und Wasseroberfläche) von mehr als 0,6 m gewährleistet. Zu grosse Dampfblasen sind zu vermeiden, weil sie eine geringere Oberfläche bieten und zu schnell aufsteigen. Zu kleine Dampfblasen führen zum Schäumen und sind daher ebenfalls zu vermeiden. Die Zweistoffdüsen 41 werden bevorzugt mit einem Überdruck von 1 bis 2 bar betrieben. Durch den das ohnehin bei Siedetemperatur oder nur wenig darunter vorliegende Wasser durchströmenden Dampf werden gelöste Gase aus dem Wasser ausgetrieben und über den Gasaustritt 35 abgeleitet.
Zur Verringerung der Dampfverluste in der Dampftrommel sind im dargestellten Beispiel die Funktionen der Entgasung und der Separation von Dampf und Wasser durch eine entsprechende Anordnung der Düsen 41 auf der Seite des Gasaustritts 35 und der Einleitungen des vom Verdampfer 22 kommenden Zweiphasengemisches in die Dampftrommel auf der Seite des Dampfaustritts 34, räumlich getrennt ausgeführt. Ebenso führt auch die dargestellte Anordnung von Speisewassereintritt 32 und Speisewasseraustritt 33 sowie Gasaustritt 35 und Dampfaustritt 34 in Verbindung mit den Strömungshindernissen 47 im Wasservolumen 37 sowie Vorrichtungen im Dampfvolumen 36 von der Speisewassereintrittsseite 32 zur Speise- wasseraustrittsseite 33 hin sowohl im Wasservolumen 37 als auch im Dampfvolumen 36 zu einer Gasabreicherung. Insbesondere, wenn aus der Niederdruck-Dampftrommel 21 weitere Dampfsysteme oder Druckstufen gespeist werden, die Trommel 21 also auch die Funktion eines Speisewasserspeichers erfüllt, kann durch im Wasservolumen 37 angeordnete Strömungshindernisse eine gezielte Durchmischung des Inhaltswassers bewirkt werden. Eine unmittelbare Durchströmung der Dampftrommel 21 vom Speisewassereintritt 32 zum Speisewasseraustritt 33 wird verhindert, was die Aufenthaltszeit des Wassers in der Dampftrommel 21 und damit den Entgasungseffekt erhöht.
Durch die Auslegung und Gestaltung des Strahlersystems 38 insbesondere die Anordnung der Düsen 41 im Wasservolumen 37 sowie die Anordnung der vom Niederdruck-Verdampfer 22 kommenden Rohrleitungen kann in Verbindung mit im Dampfvolumen 36 angeordneten Vorrichtungen eine gerichtete Abströmung der ausgetriebenen Gase in Richtung des Gasaustrittes 35 und des erzeugten Dampfes in Richtung des Dampfaustrittes 34 bewirkt werden.
Die Niederdruck-Systeme moderner Abhitzekessel arbeiten mit dem System Verdampfer/Dampftrommel typischerweise in einem Druckbereich von 5 bis 7 bar, bis maximal 10 bar, und damit bei Temperaturen von 150 bis 165 °C bis hin zu maximal rund 180 °C. Aufgrund des im Entgasungssystems herrschenden Überdrucks ist eine Gasabführung aus der Niederdruck-Dampftrommel 21 über den Gasaustritt 35 in die Umgebung prinzipiell ohne Hilfssysteme möglich. Da mit dem Gas auch Dampf die ND-Dampftrommel 21 verlässt, bietet sich zur Vermeidung von Dampf- und Wasserverlusten die Abführung der Gase über einen speziellen Kondensator in die Umgebung oder in den Kondensator 11 an.
Letztlich lässt sich bei der dargestellten Entgasung ein gewisser Verlust an Dampf nicht vermeiden. Um diesen aber gering zu halten, wird die Gesamtanlage bevorzugt so geregelt und betrieben, dass die Dampferzeugung im Verdampfer 22 den Erfordernissen der Entgasung entspricht. Man erreicht dies in vorteilhafter Weise auch durch das teilweise oder vollständige Bypassen des Niederdruck-Economizers 15 und das Betreiben des Systems Niederdruck- Dampftrommel 21 und Niederdruck-Verdampfer 22 als Speisewasservorwärmer. Durch geregeltes Bypassen des Niederdruck-Economizers 15 gelangt kaltes Speisewasser in die Dampftrommel 21. Damit dient der im Niederdruck-Verdampfer 22 erzeugte Dampf vorrangig zur Aufwärmung des in die Niederdruck-Dampftrommel 21 einströmenden Speisewassers. Im Ideaifall wird der gesamte vom Niederdruck-Verdampfer 22 erzeugte Dampf zur Vorwärmung des Speisewassers in der Dampftrommel 21 verbraucht. In diesem Fall verlassen nur die aus dem Speisewasser ausgetriebenen Gase über den Gasaustritt 35 die ND-Dampftrommel 21. Die Entgasung ist insbesondere dann wichtig, wenn beispielsweise Stillstände oder spezielle Fahrweisen (Zugabe von Zusatzwasser) zu einem erhöhten Gasgehalt im Wasser-Dampf- Kreislauf WDKL geführt haben. Während des Normalbetriebes kann zumindest zeitlich be- grenzt auf eine Entgasung in der ND-Dampftrommel 21 verzichtet werden. In diesem Fall wird das Strahlersystem 38 nicht betrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Kombianlage daher mit einer diskontinuierlichen Entgasung betrieben. Im Normalbetrieb strömt das Speisewasser über den Vorwärmer, Economizer, 15 in die Trommel ein, und es wird Niederdruck-Sattdampf zur gegebenenfalls weiteren Überhitzung und zur Einspeisung in die Dampfturbine erzeugt. Der Gasaustritt 35 der Trommel wird dann auf an sich bekannte Weise durch ein Absperrorgan verschlossen, derart, dass kein Dampf entweichen kann. In einem weiteren Betriebszustand wird die Anlage mit Entgasung betrieben. Der By- pass des Economizers wird so geregelt, dass wenigstens ein überwiegender Teil aller im Verdampfer 22 erzeugten Dampfes zum Vorwärmen des Speisewassers verwendet wird; gegebenenfalls kann auch ein nicht dargestelltes Absperrorgan die Niederdruck- Frischdampfleitung oder den Strömungsweg vom Dampfaustritt 34 der Trommel zum Niederdrucküberhitzer verschliessen. Die Dampfturbine wird dann temporär ohne zusätzlichen Niederdruck-Frischdampf betrieben, was den Gesamtwirkungsgrad vorübergehend mindert, dafür werden Medienverluste des Wasser-Dampf-Kreislaufs unterbunden. Das Niederdruck- Verdampfersystem wird temporär als Speisewasserbehälter mit intergrierter Entgaser- und Vorwärmerfunktion betrieben. Während des Anfahrens oder auch eine gewisse Zeit danach kann man zur Einhaltung der wasserchemischen Fahrweise das ND-Dampfsystem im Entgasungsbetrieb fahren. Nachgeschaltete Dampfsysteme bzw. Druckstufen (wie in Figur 1 angedeutet) werden aus der ND-Dampftrommel 21 mit entgastem Speisewasser versorgt. Im Falle parallel geschalteter Druckstufen, bei separater Speisung der Dampfsysteme oder Druckstufen beispielsweise aus dem Kondensator 11, kann man das Niederdruck-Verdampfersystem in Form eines Bypassentgasers betreiben.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Entgasung kann beispielsweise auch in einem Kondensator oder in einem Speisewasserbehälter durchgeführt werden. Ein Kondensator mit integrierter thermischer Entgasung ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Entspannter Dampf 10 strömt in das Dampfvolumen 36 des Kondensators ein. Die Wärmetauschflächen des Kondensators werden einerseits von dem Dampf, andererseits von Kühlmittel 12, beispielsweise Luft oder Kühlwasser, um- und durchströmt. Dabei kondensiert der Dampf, und am Boden des Kondensators liegt Kondensat vor, welches das Wasservolumen bildet. Das Kondensat wird über die Kondensatleitung 14 und die Kondensatpumpe 13 wieder dem Kreislauf zugeführt. Im Wasservolumen sind die Düsen 41 angeordnet; auf die oben beschriebene Weise fördert eine Pumpe 39 Kondensat aus dem Wasservolumen 39 zum Wasserstrahler 40, wo Dampf aus dem Dampfvolumen 36 angesaugt und mit dem Wasser vermischt wird. Das Wasser-Dampf-Gemisch strömt durch die Düsen 41 in das Wasservolumen 37 ein, und treibt dort gelöste Gase aus dem Kondensat aus. Figur 4 schliesslich zeigt einen separaten Speisewasserbehälter 42, der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehen ist. Im Lichte der vorstehenden Ausführungen erübrigen sich detailliertere Ausführungen hierzu.
BEZEICHNUNGSLISTE
1 Verdichter
2 Brennkammer
3 Gasturbine Ansaugluft Verbrennungsluft Heissgas Abgas Abhitzekessel Kamin 0 Abdampf 1 Kondensator 2 Kühlmedium 3 Kondensatpumpe 4 Speisewasserleitung, Speisewasser 5 Niederdruck-Economizer, Speisewasservorwärmer 6 Stellorgan 7 Stellorgan 8 Bypassleitung 9 Speisewasserleitung 0 Stellorgan 1 Niederdruck-Dampftrommel 2 Niederdruck-Verdampfer 2a Umwälzpumpe 3 Niederdruck-Ueberhitzer 4 Niederdruck-Frischdampfleitung 5 Speisewasserleitung zu weiteren Druckstufen 6 Speisewasserpumpe 7 Stellorgan 8 Economizer, Speisewasservorwärmer 9 Speisewasserleitung zu weiteren Druckstufen, Speisewasser 0 Hochdruck-Frischdampfleitung 1 Mitteldruck-Frischdampfleitung 2 Speisewassereintritt 33 Speisewasseraustritt
34 Dampfaustritt
35 Gasaustritt
36 Dampfvolumen
37 Wasservolumen
38 Strahlersystem
39 Pumpe
40 Wasserstrahler, Strahlpumpe
41 Zweistoffdüse, Zweiphasendüse
42 Speisewasserbehälter
43 Speisewasserpumpe
44 Zufuhr von Speisewasser in Speisewasserbehälter
45 Zufuhr von Dampf in Speisewasserbehälter 47 Strömungshindernis, Schikane
GA Gasturbogruppe
DA Dampfturbogruppe
G Generator
W Welle
K Kupplung
WDKL Wasser-/Dampf-Kreislauf

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur thermischen Entgasung des Wassers eines Wasser-Dampf-Kreislaufs, welcher Wasser-Dampf-Kreislauf wenigstens ein Wasservolumen (37) und wenigstens ein Dampfvolumen (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser aus dem Wasservolumen (37) angesaugt wird, dieses Wasser mit Dampf aus dem Dampfvolumen (36) versetzt wird, und das entstehende Zweiphasengemisch in das Wasservolumen (37) ausströmt.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wasservolumen (37) angesaugte Wasser durch mindestens einen als Strahlpumpe betriebenen Wasserstrahler (40) gefördert wird, wobei durch den mindestens einen Wasserstrahler (40) Dampf aus dem Dampfvolumen (36) angesaugt und mit dem Wasser vermischt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgehalt des Zweiphasengemisches auf einen Wert im Bereich von 2 bis 5 % eingestellt wird
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweiphasengemisch über unterhalb des Wasserspiegels angeordnete Düsen (41), in das Wasservolumen (37) eingedüst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweiphasengemisch mit einem Überdruck von 1 bis 2 bar eingedüst wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasung diskontinuierlich betrieben wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend wenigstens einen Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter in Bodennähe eine Mehrzahl von Düsen (41) zur Einbringung des Zweiphasengemischs in das Wasservolumen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter wenigstens eine Wasserentnahmestelle und eine Dampfentnahmestelle aufweist, und, dass die Vorrichtung eine Pumpe (39) aufweist, welche saugseitig mit der Wasserentnahmestelle und druckseitig mit den Düsen (41) in Verbindung steht, und, dass im Strömungsweg von der Pumpe zur Düse ein Wasserstrahler (40) als Strahlpumpe angeordnet ist, dessen Saugstutzen mit der Dampfentnahmestelle des Behälters verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (41) im Strömungsweg von einem Speisewasserwassereintritt (32) zu einem Speisewasseraustritt (33) des Behälters angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg vom Frischwassereintritt (32) zum Wasseraustritt (33) des Behälters Strömungshindernisse (47) für eine verbesserte Durchmischung des Wassers im Wasservolumen (37) angeordnet sind
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Behälter eine Dampftrommel (21)ist, und dass zur räumlichen Trennung der Funktionen Entgasung und Separation von Dampf und Wasser in der Dampftrommel (21) die Düsen (41) auf der Seite des Gasaustrittes (35) angeordnet sind und die Einleitung des vom Verdampfer (22) kommenden Zweiphasengemisches in die Dampftrommel (21) bevorzugt auf der Seite des Dampfaustrittes (34) angeordnet ist.
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