EP2868873A1 - Thermische Kraftanlage mit Nutzung der Abwärme eines Generators - Google Patents

Thermische Kraftanlage mit Nutzung der Abwärme eines Generators Download PDF

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EP2868873A1
EP2868873A1 EP20130191596 EP13191596A EP2868873A1 EP 2868873 A1 EP2868873 A1 EP 2868873A1 EP 20130191596 EP20130191596 EP 20130191596 EP 13191596 A EP13191596 A EP 13191596A EP 2868873 A1 EP2868873 A1 EP 2868873A1
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thermal power
power plant
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generator
heat
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Withdrawn
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EP20130191596
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English (en)
French (fr)
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Esteban Grau Sorarrain
Christian Jäkel
Mario Koebe
Matthias Kowalski
Christoph Lehmann
Andrey Mashkin
Olga Plotnikova
Carolin Schild
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L9/00—Treating solid fuels to improve their combustion
    • C10L9/08—Treating solid fuels to improve their combustion by heat treatments, e.g. calcining
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • 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
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/06—Heat exchange, direct or indirect
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/08—Drying or removing water
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a thermal power plant in which the waste heat of a generator can be used.
  • thermal power plants usually referred to as thermal power plants or steam power plants
  • steam power plants great efforts are made to convert the combustion of fossil fuels or nuclear fission heat released with the highest possible degree of efficiency in mechanical and finally in electrical energy.
  • An essential approach is not to completely relax all the steam, but partly to take before and above all to use for preheating the feed water.
  • the released heat is also used elsewhere for heating purposes or as process heat. To enable this use of heat, a somewhat reduced generation of electrical energy is also accepted.
  • the object of the invention is to achieve a further improvement of the efficiency or the degree of energy utilization, ie an increased production of electrical energy or an increased use of released heat for other purposes.
  • a thermal power plant is to be provided with a generator which has a cooling for the generator, wherein the waste heat of the generator released during cooling can be usefully employed for the operation of the thermal power plant. It is usually necessary to provide cooling for the generator anyway. So far, the heat is usually released unused to the environment. It is known that the waste heat can be used for heating purposes. It has now been recognized that the heat can also be used profitably for the operation of the thermal power plant. Thus, less vapor must be removed before complete relaxation, so that this steam is available for the production of electrical energy or for other purposes.
  • a coolant circuit for cooling the generator, wherein the coolant circuit has a heat exchanger, with the waste heat absorbed by the coolant during cooling of the generator for heating substances to be heated.
  • the coolant may be different fluids. In this case, gaseous fluids such as air or hydrogen come into consideration, but there are also conceivable liquid fluids such as water.
  • the waste heat for fuel drying is usable.
  • the fuel used Since the energy required for drying would otherwise be required during combustion, no energy is lost. Since the energy required for drying, more precisely, the required heat, is required at a relatively low temperature, it is also thermodynamically more favorable to first dry the fuel with heat of lower temperature than to accept a reduction in the heat present at the combustion temperature. For these reasons, fuel drying is common in the art.
  • steam has been tapped from a turbine prior to its complete relaxation. With the invention less vapor must be removed before complete relaxation, so that this steam is available for the production of electrical energy or for other purposes.
  • the waste heat for feedwater pre-heating is available.
  • the feedwater pre-heating with steam which is diverted from the turbine before its complete relaxation, is a common measure to increase the efficiency.
  • waste heat from the generator less steam must be removed before complete relaxation, so that this steam is available for the production of electrical energy or for other purposes.
  • the feed water coming from the condenser can be heated prior to another heating with the waste heat of the generator.
  • the first targeted heating of the feedwater after the exit of the feedwater from the condenser is due to the waste heat of the generator.
  • a slight warming can take place, for example by ambient heat already before heating by the waste heat of the generator.
  • prior to heating by the waste heat no other purposeful heating should take place. This is to prevent that the temperature of the feedwater is already so high that the temperature of the waste heat is no longer sufficient for heating.
  • temperature differences are always required to transfer the heat. So a temperature difference is required to transfer the heat from the generator to the coolant and in turn to transfer a temperature difference to heat from the coolant to the feed water - or to other substances to be heated.
  • the waste heat is heat that occurs at a comparatively low temperature, so that normally only steam can be replaced, which would be taken at relatively low pressure and correspondingly low temperature before complete relaxation. This saves steam by using the waste heat of the generator, which can only make a manageable contribution to mechanical work and electrical energy. Nevertheless, the invention makes a relevant contribution to increase the efficiency of a thermal power plant.
  • the feed water coming from the condenser can be led directly into a heat exchanger for the transfer of heat from the coolant to the feed water.
  • direct guidance is meant that apart from piping and optionally pumps and valves, there are no essential components.
  • the waste heat for combustion air preheating can be used.
  • the air required for combustion ie the air which carries the oxygen necessary for combustion, is sometimes preheated. It is thermodynamically more favorable to first preheat the air with heat at a lower temperature than to accept a reduction in the heat present at the combustion temperature. Since the combustion air is supplied with ambient temperature of the thermal power plant, ie with a comparatively low temperature, the preheating with the waste heat of the generator is a useful use of waste heat. For practical implementation is usually a heat exchanger provided.
  • the invention also relates to an associated method.
  • the figure shows a very simplified representation of a thermal power plant.
  • a boiler 1 the feed water is heated and evaporated.
  • the steam is fed into a high-pressure turbine 2.
  • a line 3 leads to a medium-pressure turbine 4.
  • a reheating of the steam takes place, as indicated by the serrations in the line 3.
  • the medium-pressure turbine 4 the steam is passed through a line 5 in a low-pressure turbine 6.
  • the steam which already has a certain amount of moisture, is passed through a line 7 into a condenser 8.
  • the high-pressure turbine 2, the medium-pressure turbine 4 and the low-pressure turbine 6 lie on a common shaft 9, which drives a generator 10, in which the mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the coolant circuit 11 leads to a heat exchanger 12 from the condensation of steam in the condenser 8 recovered feedwater is also performed in a feedwater line 13 through the heat exchanger 12.
  • the discharged from the coolant circuit 11 from the generator 10 waste heat is transferred to the feed water.
  • Fig. 1 are not shown in the further course of the feedwater pipe 13 arranged preheating stages in which the feed water is preheated with steam.
  • the steam is this - also not shown - taken from the low-pressure turbine 6 before complete relaxation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermische Kraftanlage mit einem Generator (10), aufweisend eine Kühlung (11) für den Generator (10), wobei die bei der Kühlung freiwerdende Abwärme des Generators (10) nutzbringend für den Betrieb der thermischen Kraftanlage einsetzbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein zugehöriges Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermische Kraftanlage, bei der die Abwärme eines Generators genutzt werden kann.
  • In thermischen Kraftanlagen, meist als Wärmekraftwerke oder Dampfkraftwerke bezeichnet, werden große Anstrengungen unternommen, bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder bei der Kernspaltung freiwerdende Wärme mit einem möglichst hohen Wirkungsrad in mechanische und schließlich in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Ein wesentlicher Ansatz ist dabei, nicht sämtlichen Dampf vollständig zu entspannen, sondern teilweise vorher zu entnehmen und vor allem zur Vorwärmung des Speisewassers zu nutzen.
  • Häufig wird auch die freiwerdende Wärme teilweise zu Heizzwecken oder als Prozesswärme anderweitig genutzt. Um diese Wärmenutzung zu ermöglichen, wird auch eine etwas reduzierte Erzeugung von elektrischer Energie in Kauf genommen.
  • Soweit Wärme zu anderen Zwecken entnommen wird, wird häufig nicht vom Wirkungsgrad gesprochen, da dieser normal das Verhältnis von gewonnener elektrischer Energie zur aufgewandten Verbrennungsenergie oder Kernspaltungsenergie ist. Zur Unterscheidung wird mitunter von einem Energieausnutzungsgrad gesprochen, bei dem neben der gewonnenen elektrischen Energie auch die nutzbare thermische Energie berücksichtigt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads oder des Energieausnutzungsgrads zu erreichen, also eine erhöhte Produktion elektrischer Energie oder eine erhöhte Nutzung freiwerdender Wärme zu anderen Zwecken.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Es wurde erkannt, dass eine thermische Kraftanlage mit einem Generator bereit zu stellen ist, die eine Kühlung für den Generator aufweist, wobei die bei der Kühlung freiwerdende Abwärme des Generators für den Betrieb der thermischen Kraftanlage nutzbringend einsetzbar ist. Dabei ist es normalerweise ohnehin erforderlich eine Kühlung für den Generator vorzusehen. Bislang wird die Wärme im Regelfall ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Es ist bekannt, dass die Abwärme zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. Nun wurde erkannt, dass die Wärme auch nutzbringend für den Betrieb der thermischen Kraftanlage eingesetzt werden kann. Damit muss weniger Dampf vor der vollständigen Entspannung entnommen werden, so dass dieser Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für andere Zwecke zur Verfügung steht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Kühlung des Generators ein Kühlmittelkreislauf vorhanden, wobei der Kühlmittelkreislauf einen Wärmetauscher aufweist, mit dem bei der Kühlung des Generators vom Kühlmittel aufgenommene Abwärme zur Erwärmung von zu erwärmenden Stoffen abgegeben werden kann. Bei dem Kühlmittel kann es sich um verschiedene Fluide handeln. Dabei kommen gasförmige Fluide wie etwa Luft oder Wasserstoff in Betracht, es sind aber ebenso flüssige Fluide denkbar wie etwa Wasser.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abwärme zur Brennstofftrocknung, insbesondere zur Trocknung von Kohle nutzbar. Im Interesse einer möglichst geregelten und damit möglichst schadstoffarmen Verbrennung ist es sinnvoll, den eingesetzten Brennstoff zu trocknen. Da die zur Trocknung erforderliche Energie ansonsten bei der Verbrennung benötigt würde, geht keine Energie verloren. Da die zur Trocknung erforderliche Energie, genauer gesagt, die erforderliche Wärme, bei einer relativ niedrigen Temperatur benötigt wird, ist es auch thermodynamisch günstiger, den Brennstoff zunächst mit Wärme niedrigerer Temperatur zu trocknen als eine Reduktion der bei Verbrennungstemperatur vorliegenden Wärme hinzunehmen. Aus diesen Gründen ist die Brennstofftrocknung im Stand der Technik üblich. Jedoch wurde bisher hierzu Dampf vor seiner vollständigen Entspannung aus einer Turbine angezapft. Mit der Erfindung muss weniger Dampf vor der vollständigen Entspannung entnommen werden, so dass dieser Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für andere Zwecke zur Verfügung steht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abwärme zur Speisewasservorwärmung nutzbar. Die Speisewasservorwärmung mit Dampf, der vor seiner vollständigen Entspannung aus der Turbine abgezweigt wird, ist eine übliche Maßnahme zur Steigerung des Wirkungsgrads. Durch die Verwendung von Abwärme aus dem Generator muss weniger Dampf vor der vollständigen Entspannung entnommen werden, so dass dieser Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie oder für andere Zwecke zur Verfügung steht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das aus dem Kondensator kommendes Speisewasser vor einer anderweitigen Erwärmung mit der Abwärme des Generators erwärmbar. Das bedeutet, die erste gezielte Erwärmung des Speisewassers nach dem Austritt des Speisewassers aus dem Kondensator erfolgt durch die Abwärme des Generators. Damit soll nicht ausgeschlossen werden, dass eine geringfügige Erwärmung etwa durch Umgebungswärme bereits vor Erwärmung durch die Abwärme des Generators erfolgen kann. Ausgesagt aber werden soll, dass bei dieser Ausführungsform vor der Erwärmung durch die Abwärme keine anderweitige gezielte Erwärmung erfolgen soll. Damit soll verhindert werden, dass die Temperatur des Speisewassers bereits so hoch ist, dass die Temperatur der Abwärme zur Erwärmung nicht mehr ausreicht. Hierbei muss bedacht werden, dass zum Übertragen der Wärme stets Temperaturdifferenzen erforderlich sind. So ist eine Temperaturdifferenz erforderlich um die Wärme vom Generator auf das Kühlmittel zu übertragen und wiederum eine Temperaturdifferenz um Wärme vom Kühlmittel auf das Speisewasser - oder auf andere zu erwärmende Stoffe - zu übertragen.
  • An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass es sich bei der Abwärme um Wärme handelt, die bei vergleichsweise niedriger Temperatur auftritt, so dass normalerweise nur Dampf ersetzt werden kann, der bei vergleichsweise niedrigem Druck und entsprechend niedriger Temperatur vor der vollständigen Entspannung entnommen würde. Damit wird durch die Nutzung der Abwärme des Generators Dampf eingespart, der nur noch einen überschaubaren Beitrag zur mechanischen Arbeit und zur elektrischen Energie leisten kann. Dennoch leistet die Erfindung einen relevanten Beitrag den Wirkungsgrad einer thermischen Kraftanlage zu steigern.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung, welche die Erwärmung des Speisewassers durch Abwärme vor einer anderweitigen Erwärmung weiterbildet, kann das aus dem Kondensator kommende Speisewasser direkt in einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme aus dem Kühlmittel an das Speisewasser geführt werden. Unter einer direkten Führung ist zu verstehen, dass abgesehen von Leitungen sowie gegebenenfalls Pumpen und Ventilen keine wesentlichen Komponenten vorhanden sind. Wie bereits oben ausgeführt soll damit erreicht werden, dass die erste wesentliche Erwärmung des aus dem Kondensator kommenden Speisewassers durch die Abwärme des Generators, bei der vorliegenden Ausführungsform also im Wärmetauscher erfolgt.
  • Allerdings ist es nicht zwingend das vom Kondensator kommende Speisewasser direkt in den Wärmetauscher zu führen. So könnte zuerst eine anderweitige Bearbeitung, etwa eine Reinigung, erfolgen. Es dürfte im Regelfall aber unvermeidbar sein, dass keine anderweitige Erwärmung vor der Erwärmung mit der Abwärme des Generators erfolgt, da die Temperatur der Abwärme sonst zu niedrig wäre.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abwärme zur Verbrennungsluftvorwärmung nutzbar. Die zur Verbrennung erforderliche Luft, also die Luft, welche den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff mitführt, wird bisweilen vorgewärmt. Es ist thermodynamisch günstiger, die Luft zunächst mit Wärme bei niedrigerer Temperatur vorzuwärmen als eine Reduktion der bei Verbrennungstemperatur vorliegenden Wärme hinzunehmen. Da die Verbrennungsluft mit Umgebungstemperatur der thermischen Kraftanlage zugeführt wird, also mit vergleichsweise niedriger Temperatur, stellt die Vorwärmung mit der Abwärme des Generators eine sinnvolle Nutzung der Abwärme dar. Zur praktischen Umsetzung ist im Regelfall ein Wärmetauscher vorzusehen.
  • Die Erfindung betrifft ebenso ein zugehöriges Verfahren.
  • Anhand einer Figur sollen weitere Einzelheiten nachfolgend näher dargestellt werden.
  • Die Figur zeigt eine sehr vereinfachte Darstellung einer thermischen Kraftanlage. In einem Kessel 1 wird das Speisewasser erhitzt und verdampft. Über eine Leitung 2 wird der Dampf in eine Hochdruckturbine 2 geführt. Nach der Entspannung des Dampfs in der Hochdruckturbine 2 führt eine Leitung 3 zu einer Mitteldruckturbine 4. Dabei erfolgt eine Zwischenüberhitzung des Dampfs, wie durch die Zacken in der Leitung 3 angezeigt werden soll. Von der Mitteldruckturbine 4 wird der Dampf durch eine Leitung 5 in eine Niederdruckturbine 6 geführt. Nach der Entspannung in der Niederdruckturbine 6 wird der Dampf, der bereits eine gewisse Nässe aufweist, durch eine Leitung 7 in einen Kondensator 8 geführt. Die Hochdruckturbine 2, die Mitteldruckturbine 4 und die Niederdruckturbine 6 liegen auf einer gemeinsamen Welle 9, welche einen Generator 10 antreibt, in dem die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei entsteht Abwärme, welche durch einen Kühlmittelkreislauf 11 abgeführt wird. Der Kühlmittelkreislauf 11 führt zu einem Wärmetauscher 12. Aus der Kondensation von Dampf im Kondensator 8 gewonnenes Speisewasser wird in einer Speisewasserleitung 13 ebenfalls durch den Wärmetauscher 12 geführt. Damit wird die vom Kühlmittelkreislauf 11 aus dem Generator 10 abgeführte Abwärme auf das Speisewasser übertragen. In der Fig. 1 nicht dargestellt sind im weiteren Verlauf der Speisewasserleitung 13 angeordnete Vorwärmstufen, in denen das Speisewasser mit Dampf vorgewärmt wird. Der Dampf wird hierzu - ebenfalls nicht dargestellt - aus der Niederdruckturbine 6 vor der vollständigen Entspannung entnommen. Durch Vorwärmung im Wärmetauscher 12 wird hierfür weniger Dampf benötigt, so dass der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (8)

  1. Thermische Kraftanlage mit einem Generator (10), aufweisend eine Kühlung (11) für den Generator (10),
    wobei die bei der Kühlung freiwerdende Abwärme des Generators (10) nutzbringend für den Betrieb der thermischen Kraftanlage einsetzbar ist.
  2. Thermische Kraftanlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Kühlung des Generators (10) ein Kühlmittelkreislauf (11) vorhanden ist,
    wobei der Kühlmittelkreislauf (11) einen Wärmetauscher (12) aufweist, mit dem bei der Kühlung des Generators (10) vom Kühlmittel aufgenommene Abwärme zur Erwärmung von zu erwärmenden Stoffen abgegeben werden kann.
  3. Thermische Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abwärme zur Brennstofftrocknung, insbesondere zur Trocknung von Kohle nutzbar ist.
  4. Thermische Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abwärme zur Speisewasservorwärmung nutzbar ist.
  5. Thermische Kraftanlage nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus einem Kondensator (8) kommendes Speisewasser vor einer anderweitigen Erwärmung mit der Abwärme des Generators (10) erwärmbar ist.
  6. Thermische Kraftanlage nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das aus dem Kondensator (8) kommende Speisewasser direkt in den Wärmetauscher (12) zur Übertragung von Wärme aus dem Kühlmittel an das Speisewasser geführt werden kann.
  7. Thermische Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abwärme zur Verbrennungsluftvorwärmung nutzbar ist.
  8. Verfahren zur Nutzung von Abwärme eines Generators (10) einer thermischen Kraftanlage, insbesondere einer thermischen Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abwärme des Generators (10) nutzbringend für den Betrieb der thermischen Kraftanlage eingesetzt wird.
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