WO2024125896A1 - Dampfturbinenanlage sowie kondensator/wärmetauscher für eine solche dampfturbinenanlage - Google Patents

Dampfturbinenanlage sowie kondensator/wärmetauscher für eine solche dampfturbinenanlage Download PDF

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WO2024125896A1
WO2024125896A1 PCT/EP2023/081085 EP2023081085W WO2024125896A1 WO 2024125896 A1 WO2024125896 A1 WO 2024125896A1 EP 2023081085 W EP2023081085 W EP 2023081085W WO 2024125896 A1 WO2024125896 A1 WO 2024125896A1
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WO
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steam turbine
condenser
steam
hydrogen
turbine system
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PCT/EP2023/081085
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Inventor
Detlef Haje
Jörg Döhring
Jörg Eppendorfer
Bernd Leidinger
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • 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
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine plant according to the preamble of independent patent claim 1 and to a condenser/heat exchanger for such a steam turbine plant according to independent patent claims 4 and 5.
  • the object of the present invention is therefore to provide a steam turbine system which prevents a concentration of non-condensable gases (educts) above an ignitable or explosive concentration. Furthermore, the object of the present invention is to provide a condenser/heat exchanger for such a steam turbine system.
  • the steam turbine system according to the invention in which at least part of the steam for operating the steam turbine system is provided by the direct combustion of oxygen with hydrogen or a hydrogen-containing fuel, is characterized in that a concentration of non-condensable gases above a predeterminable concentration is prevented continuously and/or step by step in the course of the steam flow by a controlled induction of a combustion reaction of the hydrogen and the oxygen.
  • the course of the steam flow is understood to mean the entire course of the flow of steam and its admixtures, including its expansion, the separation of moisture from a wet steam flow, the removal of condensate from drains, the inflow into the heat exchanger and into the condenser, the complete or partial condensation, the removal of condensate, the removal/extraction of non-condensable gases (optionally through an air or gas cooler bundle), as well as the forwarding, cooling/separation and pressure increase of non-condensable gases. This applies to all existing main and secondary branches of the steam flow.
  • Measures to counteract the concentration of gas mixtures aim at the controlled induction of the combustion reaction of hydrogen and oxygen in the course of the steam flow. Since the areas of the steam flow in question are typically below the ignition temperature of the combustion reaction, activation energy must be provided for the combustion reaction.
  • the specified concentration of the gas mixture should be below a dangerous/explosive concentration.
  • Dangerous/explosive concentrations are those concentrations which, in the event of an unwanted energy supply, cause an uncontrolled avalanche-like reaction in an unacceptable Before such concentrations can be reached, a controlled combustion reaction of hydrogen and oxygen is required. If individual avalanche-like reactions cannot be completely avoided, they must be limited by spatial demarcation or by making components pressure-resistant. They must therefore not reach an "unacceptable strength".
  • a rapid concentration of the reactants is achieved by targeted condensation of the water vapor in the condenser or in heat exchangers ® .
  • step-by-step or continuous measures for the conversion of the reactants are strongly recommended.
  • Drainage or condensate lines as secondary branches of the media flow are to be considered in particular where, as a result of a reduction in pressure or an increase in temperature, originally dissolved reactants could return to the gas phase and form a reactive mixture. In this case, either extraction into a room with a reaction must be provided (in order to minimize the local volume of the gas phase) or recombination measures must be provided.
  • An embodiment of the steam turbine plant according to the invention provides that an activation energy required to bring about the combustion reaction is generated by at least one recombiner in the form of a system for igniting the hydrogen with oxygen provided below the explosion limit.
  • a further embodiment of the steam turbine system according to the invention provides that the activation energy required to bring about the combustion reaction is reduced by the use of catalytic recombiners or the presence of catalytically active substances on component surfaces so that no uncontrolled reaction of the oxygen and hydrogen occurs.
  • a palladium or platinum coating of the flow surfaces is suitable as a catalytically active substance, for example.
  • a condenser/heat exchanger for a steam turbine system as described above, wherein the condenser has a condenser housing in which at least one essentially horizontally arranged tube bundle is arranged, around which the steam flow can flow or through, is characterized in that at least one recombinator is arranged inside the condenser housing.
  • the recombinator is designed as a system for igniting the hydrogen/oxygen mixture, wherein the ignition takes place below the explosion limit and thus enables a controlled combustion reaction of the gas mixture.
  • condenser/heat exchanger for a previously described steam turbine system, wherein the condenser has a condenser housing in which at least one essentially horizontally arranged tube bundle is arranged, around which the steam flow can flow or through, is characterized in that at least one tube of the tube bundle is at least partially catalytically coated.
  • the catalytic coating of the tube bundles around which the steam flows or through reduces the activation energy required to bring about the combustion reaction so that there is no uncontrolled reaction within the tube bundle, but rather a controlled, controlled controllable induction of a combustion reaction of the
  • a design of a condenser/heat exchanger described above, in which an air cooler bundle is arranged in at least one tube bundle, the air cooler bundle having a shield against incoming condensate and a gas extraction, is characterized in that at least one tube of the air cooler bundle is at least partially catalytically coated. Due to the desired condensation and the concentration of the hydrogen/oxygen mixture to be expected as a result, the controlled induction of a combustion reaction is particularly important here.
  • Fig. 2 shows the basic structure of a steam turbine plant with a so-called direct reheat.
  • a steam turbine plant has a burner 1 in which oxygen can be burned with hydrogen or other hydrogen-containing fuels to generate steam at a very high temperature.
  • This steam can then be mixed with the steam generated in the steam generator 2 to increase its energy.
  • the total steam mass flow is then fed to the steam turbine 3.
  • the steam expands within the steam turbine 3, whereby the partial pressures of the steam flow drop essentially in the same way, and at the same time the steam temperature drops.
  • a catalytic coating can be provided on the exhaust steam line 4.
  • a palladium or platinum coating is suitable as a catalytic coating. The coating ensures that the activation energy required to bring about the combustion reaction of hydrogen and oxygen is reduced and thus a dangerous concentration cannot occur.
  • a rapid concentration of the reactants occurs with the targeted condensation of the water vapor in the condenser 8 .
  • steps must be taken to avoid a dangerous/explosive concentration of the reactants.
  • recombiners in the form of systems for igniting the hydrogen below the explosion limit and/or by using catalytic recombiners/catalytically active substances on component surfaces. What these measures can look like in detail for the condenser 8 will be explained in more detail later using Fig. 3 and 4.
  • the steam turbine plant has a extraction/tapping line 5 on the turbine housing as well as a drainage line 6 .
  • initially dissolved reactants can return to the gas phase as a result of a reduction in pressure or an increase in temperature and form a reactive mixture .
  • extraction into a room with a reaction must be provided (in order to minimize the local volume of the gas phase) or recombination measures must be provided, for example in the form of catalytically active coatings .
  • the heat exchanger 13 arranged in the extraction/tapping line 5 again requires special attention, since here, similar to the condenser, a dangerous/explosive concentration of the reactants can occur.
  • the measures to be taken here are equivalent to those for the condenser 8 and include the use of recombiners in the form of systems for igniting the hydrogen below the explosion limit, and/or the use of catalytic recombiners/catalytically active substances on component surfaces.
  • Fig. 3 shows the condenser 8 shown in Fig. 2 in cross section.
  • the condenser 8 has a condenser housing 14 in which a substantially horizontally arranged tube bundle 15 is arranged, through which the exhaust steam flow 16 entering the condenser 8 through an inlet 15 flows.
  • several measures are provided.
  • the tubes that come into contact with the steam flow Surfaces of the tube bundle 15 are catalytically coated in order to ensure a continuous conversion of the reactants, and recombiners 17 in the form of systems for igniting the hydrogen below the explosion limit are also arranged on the inside of the capacitor housing 14.
  • a catalytic coating on the inside of the capacitor housing 14 can be provided.
  • the resulting condensate is collected in a hotwell 18 in the lower part of the condenser 8 and from there fed back into the steam circuit.
  • Air cooler bundles 19 are arranged within the tube bundles 15, the design of which is described in more detail below in Fig. 4.
  • the air cooler bundles 19 are preferably arranged in the lower part of the tube bundles 15.
  • the air cooler bundles 19 each have a shield 20 against the ingress of condensate.
  • All tubes within the air cooler bundle are catalytically coated so that continuous conversion of the reactants is guaranteed.
  • the coating is applied to all surfaces over which the fluid flows. Suitable coating materials include palladium or platinum, as well as all other catalytically active substances.
  • an extraction device 21 is arranged in the air cooler bundle 19, preferably in the upper or middle area of the air cooler bundle 19.
  • the extraction device can be connected, for example, to a water ring pump 22 (see Fig. 2) and the gas is fed via the water ring pump 22 for post-treatment, for controlled combustion or discharged into the environment.
  • the present invention enables for the first time a safe operation of a Steam turbine system in which at least part of the steam for operating the steam turbine system is provided by the direct combustion of oxygen with hydrogen or a hydrogen-containing fuel.
  • the present invention can also ensure the safe operation of a condenser/heat exchanger for such a steam turbine system for the first time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage, bei der zumindest ein Teil des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbinenanlage durch die direkte Verbrennung von Sauerstoff mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brennstoff bereitgestellt wird. Durch eine kontrollierte Herbeiführung einer Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs wird eine Aufkonzentration nicht kondensierbarer Gase über eine vorgebbare, gefährliche, Konzentration verhindert und ein sicherer Betrieb gewährleistet. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kondensator/Wärmetauscher (8) für eine solche Dampfturbinenanlage.

Description

Beschreibung
Dampfturbinenanlage sowie Kondensator/Wärmetauscher für eine solche Dampfturbinenanlage
Die Erfindung betri f ft eine Dampfturbinenanlage nach dem Oberbegri f f des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie einen Kondensator/Wärmetauscher für eine solche Dampfturbinenanlage nach den unabhängigen Patentansprüchen 4 und 5 .
Die Energiewirtschaft befindet sich in einem massiven Umbruch zu einer CO2-Neutralität . Dabei spielen regenerative Energien eine zentrale Rolle , und aufgrund deren (naturgemäßer ) Fluktuation gewinnen Speichertechnologien eine große Bedeutung . Hierbei besitzt Wasserstof f als chemischer Speicher ein sehr großes Potenzial .
Im Bereich der Rückverstromung ( Stromerzeugung aus dem chemischen Speicher heraus ) gibt es unter anderem Konzepte , Wasserstof f mit Sauerstof f in einer Art Direkt-Dampf erzeuger zu verbrennen und so Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine bereitzustellen . Alternativ dazu kann ein vorhandener Dampfmassenstrom durch eine solche Zusatzverbrennung auf höhere Temperaturen gebracht und somit energetisch aufgewertet werden ( „Direkt-Zwischenüberhit zer" ) . Nach Expansion des Dampfes in der Dampfturbine wird der entspannte Dampf einem Kondensator/Wärmetauscher zugeführt , wo er unter Wärmeabfuhr ( z . B . durch Kühlwasser ) kondensiert wird .
In beiden Fällen ( Direkt-Dampf erzeuger, Direkt- Zwischenüberhitzer ) kann nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass die Edukte (Wasserstof f und Sauerstof f ) nicht vollständig umgesetzt werden und im Dampfmassenstrom (Medienstrom) verbleiben . Dies kann aufgrund der Verbrennungsdynamik, der Temperaturführung, einer Kühlmitteleindüsung, einer Abweichung in der Stöchiometrie oder weiterer Ef fekte der Fall sein . Während sich dies in der Expansion der Dampfturbine kaum bemerkbar macht , stellt ein Anteil unverbrannter Edukte bei der Kondensation ein großes Gefahrenpotenzial dar . Durch die fortwährende Kondensation des expandierten Dampfes (Abzug der Produkte , Verbleib der Edukte ) kann es zu einer Auf konzentra- tion dieser nicht kondensierbaren Gase kommen, so dass in Anlagenteilen mit Kondensatanfall oder Kondensation zündfähige oder explosive Gasmischungen entstehen können .
Bisherige Lösungen wie eine Absaugung aus dem Kondensator durch ein sogenanntes Luft- oder Gaskühlerbündel bieten keine Lösung, da auch hier zündfähige oder explosive Gasmischungen zu erwarten sind . Kleinste Funken oder Zündquellen könnten zu einer Verpuf fung / Explosion führen . Auch kleinste Schwankungen in der Stöchiometrie der Edukte können im Laufe der Zeit zu einer Auf konzentration und einer Explosionsgefahr führen . Insgesamt ist dies Problem bislang ungelöst und würde einer Expansion von direkt hergestelltem Dampf in Turbinenanlagen ent gegen stehen .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dampfturbinenanlage bereitzustellen, die eine Auf konzentration nicht kondensierbarer Gase (Edukte ) oberhalb einer zündfähigen oder explosiven Konzentration verhindert . Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensa- tor/Wärmetauscher für eine solche Dampfturbinenanlage bereitzustellen .
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Dampfturbinenanlage durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruch 1 und hinsichtlich des Kondensators/Wärmetauschers durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 4 und 5 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche . Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage , bei der zumindest ein Teil des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbinenanlage durch die direkte Verbrennung von Sauerstof f mit Wasserstof f oder einem wasserstof fhaltigen Brennstof f bereitgestellt wird, zeichnet sich dadurch aus , dass kontinuierlich und/oder schrittweise im Verlauf der Dampf Strömung eine Auf konzentra- tion nicht kondensierbarer Gase , über eine vorgebbare Konzentration, durch eine kontrollierte Herbei führung einer Verbrennungsreaktion des Wasserstof fs und des Sauerstof fs verhindert wird .
Unter dem Verlauf der Dampf Strömung wird der gesamte Verlauf der Strömung des Dampfes und seiner Beimischungen verstanden, einschließlich seiner Expansion, der Abscheidung von Nässe aus einer Nassdampfströmung, des Abzugs von Kondensat aus Entwässerungen, der Zuströmung in den Wärmetauscher und in den Kondensator, der vollständigen oder teilweisen Kondensation, der Abfuhr von Kondensat , der Abfuhr / Absaugung nicht kondensierbarer Gase ( optional durch ein Luft- oder Gaskühlerbündel hindurch) , sowie der Fortleitung, Kühlung / Separierung und Druckerhöhung nicht kondensierbarer Gase . Dies gilt für alle vorhandenen Haupt- und Nebenzweige der Dampfströmung .
Maßnahmen, mit denen einer Auf konzentration von Gasmischungen entgegengewirkt werden soll , zielen auf die kontrollierte Herbei führung der Verbrennungsreaktion von Wasserstof f und Sauerstof f im Verlauf der Dampf Strömung ab . Da die fraglichen Bereiche der Dampf Strömung typischerweise unterhalb der Zündtemperatur der Verbrennungsreaktion liegen, muss für die Verbrennungsreaktion eine Aktivierungsenergie bereitgestellt werden .
Die vorgebbare Konzentration der Gasmischung sollte unterhalb einer gef ährlichen/explosiven Konzentration liegen . Als ge- f ährliche/explosive Konzentrationen werden dabei solche Konzentrationen betrachtet , welche bei einer ungewollten Energiezufuhr eine unkontrollierte lawinenhafte Reaktion in unzu- lässiger Stärke erwarten lassen . Bevor derartige Konzentrationen erreicht werden können, ist eine kontrollierte Herbeiführung einer Verbrennungsreaktion des Wasserstof fs und des Sauerstof fs erforderlich . Sollten einzelne lawinenhafte Reaktionen, nicht vollständig vermieden werden können, so sind diese durch räumliche Abgrenzung oder durch druckfeste Ausführung von Komponenten zu begrenzen . Sie dürfen also keine „unzulässige Stärke" erreichen .
Bei einem gleichbleibenden Partialdruck der Edukte ( keine Zu- fuhr/Abfuhr nach Abschluss der ursprünglichen Verbrennungsreaktion) kann eine gef ährliche/explosive Konzentration dadurch entstehen, dass sich Partialdruck und Zustand des Dampf- /Wasseranteils im Verlauf der Medienströmung verändern . Der Verlauf des Partialdrucks im Verlauf der Medienströmung ist qualitativ in Fig . 1 dargestellt :
Zunächst steht vom Brenneraustritt © bis zum Turbineneintritt © eine geringe Konzentration von Edukten einer großen Konzentration im Wesentlichen inerter (Wasser- ) Moleküle gegenüber, mit denen keine energiefreisetzende Reaktion erfolgen kann . Hierdurch wird eine lawinenhafte Reaktion stark behindert . Darüber hinaus fließt die Energie aus möglichen Reaktionen in die lokale Erwärmung des Gesamtmediums , so dass eine lokale Erreichung einer Zündtemperatur (und einer weiter fortschreitenden Reaktion) erschwert wird .
Im Verlauf der Expansion, innerhalb der Dampfturbine sinken die Partialdrücke der Dampf Strömung im Wesentlichen gleichartig ab, gleichzeitig nimmt die Temperatur ab und im unteren Druckbereich ist mit einer Nassdampfströmung zu rechnen - Ef fekte , die einer gefährlichen Auf konzentration eher entgegenlaufen .
Mit dem Abscheiden von Nässe aus der Nassdampfströmung sowie der Kondensatabfuhr aus Entwässerungen®^® beginnt allerdings die Auf konzentration der Edukte , und die geschilder- ten reaktionskinetischen Hinderungsef fekte nehmen ab . Erste Maßnahmen können erforderlich werden .
Eine rapide Auf konzentration der Edukte erfolgt mit der gezielten Kondensation des Wasserdampfes im Kondensator oder in Wärmetauschern ® . Hier sind schrittweise oder kontinuierliche Maßnahmen zur Umsetzung der Edukte dringend angeraten .
Besonderes Augenmerk ist auch auf den Verlauf der Luft- /Gasabsaugung im Gas-/Luf tkühlerbündel © zu legen . Vorhandene Rest-Partialdrücke nehmen durch eine mögliche Küh- lung/Separierung sowie eine Druckerhöhung auf beispielsweise Atmosphärendruck zu, so dass eine lawinenhafte Reaktion reaktionskinetisch erleichtert wird . Hier sind ebenfalls Maßnahmen zu tref fen .
Entwässerungen oder Kondensatleitungen als Nebenzweige der Medienströmung sind dort besonders zu betrachten, wo infolge einer Druckminderung oder Temperaturerhöhung ursprünglich gelöste Edukte wieder in die Gasphase übergehen und ein reaktions fähiges Gemisch bilden könnten . Hier sind entweder Absaugungen in einen Raum mit einer Umsetzung vorzusehen (um das lokale Volumen der Gasphase zu minimieren) oder Rekombi- nations-imaßnahmen vorzusehen .
Der Besonderheiten des Wasserstof fes hinsichtlich einer Entmischung und/oder eines Auftriebs ( aufgrund seiner geringen molaren Masse ) ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen, beispielsweise durch gesonderte Absaugeeinrichtun- gen/Absaugepositionen, beispielsweise Luf t-/Gaskühlerbündel und Absaugungen im oberen oder mittleren Bereich der Kondensatorrohrbündel .
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage sieht vor, dass eine zur Herbei führung der Verbrennungsreaktion benötigte Aktivierungsenergie durch wenigstens einen Re- kombinator in Form eines Systems zum Zünden des Wasserstof fs mit dem Sauerstof f unterhalb der Explosionsgrenze , bereitgestellt wird .
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dampfturbinenanlage sieht vor, dass die zur Herbei führung der Verbrennungsreaktion benötigte Aktivierungsenergie durch den Einsatz von katalytischen Rekombinatoren oder der Anwesenheit von katalytisch wirkenden Stof fen auf Bauteiloberflächen so herabgesetzt wird, so dass es zu keiner unkontrollierten Reaktion des Sauerstof fs und des Wasserstof fs kommt . Als katalytisch wirkende Substanz eignet sich beispielsweise eine Palladiumoder Platin-Beschichtung der beströmten Flächen .
Ein erfindungsgemäßer Kondensator/Wärmetauscher für eine zuvor beschriebene Dampfturbinenanlage , wobei der Kondensator ein Kondensatorgehäuse aufweist , in dem wenigstens ein im Wesentlichen hori zontal angeordnete Rohrbündel angeordnet ist , welche von der Dampf Strömung um- oder durchströmt werden kann, zeichnet sich dadurch aus , dass im inneren des Kondensatorgehäuses wenigstens ein Rekombinator angeordnet ist . Der Rekombinator ist dabei als ein System zum Zünden des Wasser- stof f-/Sauerstof f gemisches ausgebildet , wobei das Zünden unterhalb der Explosionsgrenze erfolgt und somit eine kontrollierte Verbrennungsreaktion des Gasgemisches ermöglicht .
Ein weiterer erfindungsgemäßer Kondensator/Wärmetauscher für eine zuvor beschriebene Dampfturbinenanlage , wobei der Kondensator ein Kondensatorgehäuse aufweist , in dem wenigstens ein im Wesentlichen hori zontal angeordnete Rohrbündel angeordnet sind, welche von der Dampf Strömung um- oder durchströmt werden kann, zeichnet sich dadurch aus , dass wenigstens ein Rohr des Rohrbündel wenigstens teilweise katalytisch beschichtet ist . Durch die katalytische Beschichtung der um- oder durchströmten Rohrbündel wird die zur Herbei führung der Verbrennungsreaktion benötigte Aktivierungsenergie so herabgesetzt , so dass es innerhalb des Rohrbündels zu keiner unkontrollierten Reaktion, sondern einer kontrollierten, be- herrschbaren Herbeiführung einer Verbrennungsreaktion des
Wasserstoffs und des Sauerstoffs kommt.
Eine Ausgestaltung eines oben beschriebenen Kondensa- tors/Wärmetauschers , wobei wenigstens in einem Rohrbündel, ein Luftkühlerbündel angeordnet ist, wobei das Luftkühlerbündel eine Abschirmung gegen eintretendes Kondensat und eine Gasabsaugung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Rohr, des Luftkühlerbündel wenigstens teilweise katalytisch beschichtet ist. Auf Grund der gewollten Kondensation und der hierdurch zu erwartenden Auf konzentration des Wasserstof f-/Sauerstof f gemisches ist die kontrollierte Herbeiführung einer Verbrennungsreaktion hier besonders wichtig.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren 2 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:
- Fig.2: Den prinzipiellen Aufbau einer Dampfturbinenanlage mit „Direkt-Zwischenüberhit zer" ;
- Fig.3: Einen erfindungsgemäßen Kondensator im Querschnitt;
- Fig.4: Einen erfindungsgemäßes Luftkühlerbündel nach
Fig. 3 im Querschnitt.
Die Figuren zeigen im Wesentlichen nur die für die Erfindung notwendigen Bauteile. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind Figur übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei den Figuren handelt es sich im Prinzipskizzen die nicht zwangsläufig maßstabsgerecht dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Dampfturbinenanlage mit einer sogenannten direkten Zwischenüberhitzung. Eine solchen Dampfturbinenanlage weist neben dem Dampferzeuger 2 einen Brenner 1 auf, in dem zur Erzeugung von Dampf mit sehr hoher Temperatur, Sauerstoff mit Wasserstoff oder anderen wasserstoffhaltigen Brennstoffen, verbrannt werden kann. Die- ser Dampf kann anschließend zur energetischen Aufwertung, dem im Dampferzeuger 2 erzeugten Dampf , beigemischt werden . Der Gesamtdampfmassenstrom wird anschließend der Dampfturbine 3 zugeführt . Innerhalb der Dampfturbine 3 kommt es zur Expansion des Dampfes , dabei sinken die Partialdrücke der Dampfströmung im Wesentlichen gleichartig ab, gleichzeitig sinkt die Dampf temperatur . Diese Ef fekte laufen einer gefährlichen Aufkonzentration der Edukte eher entgegen, so dass innerhalb der Dampfturbine 3 noch keine Maßnahmen zur kontrollierten Herbei führung einer Verbrennungsreaktion notwendig sind .
Mit dem Abscheiden von Nässe aus der Nassdampfströmung beginnt allerdings die Auf konzentration der Edukte , und die geschilderten reaktionskinetischen Hinderungsef fekte nehmen ab . Erste Maßnahmen können erforderlich werden . Hierzu kann beispielsweise eine katalytisch wirkende Beschichtung der Abdampfleitung 4 vorgesehen werden . Als katalytische Beschichtung eignet sich z . B . eine Palladium- oder Platin- Beschichtung . Die Beschichtung sorgt dafür, dass die erforderliche Aktivierungsenergie zur Herbei führung der Verbrennungsreaktion von Wasserstof f und Sauerstof f herabgesetzt wird und es damit nicht zu einer gefährlichen Auf konzentration kommen kann .
Eine rapide Auf konzentration der Edukte erfolgt mit der gezielten Kondensation des Wasserdampfs im Kondensator 8 , hier sind zwingend Schritte zur Vermeidung einer gefährli- chen/explosiven Auf konzentration der Edukte zu ergrei fen, diese können durch den Einsatz von Rekombinatoren, in Form von Systemen zum Zünden des Wasserstof fs unterhalb der Explosionsgrenze , und/oder durch den Einsatz von katalytischen Rekombinatoren/ katalytisch wirkenden Stof fen auf Bauteiloberflächen erfolgen . Wie diese Maßnahmen beim Kondensator 8 im Einzelnen aussehen können, wird später anhand von Fig . 3 und 4 näher erläutert .
Im gezeigten Aus führungsbeispiel weist die Dampfturbinenanlage am Turbinengehäuse eine Entnahme-/Anzapf leitung 5 sowie eine Entwässerungsleitung 6 auf . In diesen Leitungen (wie auch in anderen Nebenzweigen der Dampf Strömung können infolge einer Druckminderung oder Temperaturerhöhung ursprünglich gelöste Edukte wieder in die Gasphase übergehen und ein reaktions fähiges Gemisch bilden . Hier sind entweder Absaugungen in einen Raum mit einer Umsetzung vorzusehen (um das lokale Volumen der Gasphase zu minimieren) oder Rekombinationsmaßnahmen, beispielsweise in Form von katalytisch wirkenden Beschichtungen vorzusehen .
Der in der Entnahme-/Anzapf leitung 5 angeordneten Wärmetauscher 13 bedarf wiederum besonderer Aufmerksamkeit , da es hier, ähnlich wie im Kondensator, zu einer gefährli- chen/explosiven Auf konzentration der Edukte kommen kann . Die Maßnahmen, die hier zu ergrei fen sind, sind Äquivalent zu denen beim Kondensator 8 , und schließen den Einsatz von Rekom- binatoren, in Form von Systemen zum Zünden des Wasserstof fs unterhalb der Explosionsgrenze , und/oder durch den Einsatz von katalytischen Rekombinatoren/ katalytisch wirkenden Stoffen auf Bauteiloberflächen ein .
Sollten einzelne lawinenhafte Reaktionen, beispielsweise im Wirkbereich der Rekombinatoren, nicht vollständig vermieden werden können, so sind diese durch räumliche Abgrenzung oder durch druckfeste Aus führung von Komponenten zu begrenzen . Sie dürfen also keine „unzulässige Stärke" erreichen .
Fig . 3 zeigt den in Fig 2 dargestellten Kondensator 8 im Querschnitt . Der Kondensator 8 weist ein Kondensatorgehäuse 14 auf , in dem ein im Wesentlichen hori zontal angeordnetes Rohrbündel 15 angeordnet ist , welches von der durch einen Eintritt 15 in den Kondensator 8 eintretenden Abdampf Strömung 16 durchströmt/umströmt wird . Hierdurch kommt es zum einen zu der gewollten Kondensation des Dampfmassenstroms , zum andern aber auch zu einer starken Auf konzentration der Edukte . Um zu vermeiden, dass die Konzentration eine zündf ähige/explosive Konzentration erreicht sind mehrere Maßnahmen vorgesehen . Zum einen sind die mit der Dampf Strömung in Kontakt tretenden Oberflächen der Rohrbündels 15 katalytisch beschichtet , um so eine kontinuierliche Umsetzung der Edukte zu gewährleisten, zum andern sind zusätzlich an der Innenseite des Kondensatorgehäuses 14 Rekombinatoren 17 , in Form von Systemen zum Zünden des Wasserstof fs unterhalb der Explosionsgrenze , angeordnet . Zusätzlich kann eine katalytische Beschichtung der Innenseite des Kondensatorgehäuses 14 vorgesehen werden .
Das anfallende Kondensat wird im unteren Teil des Kondensators 8 in einem Hotwell 18 gesammelt und von dort erneut dem Dampf kreislauf zugeführt .
Innerhalb der Rohrbündel 15 sind Luftkühlerbündel 19 angeordnet , dessen Aus führung nachfolgend in Fig . 4 näher beschrieben werden . Die Luftkühlerbündel 19 sind bevorzugt im unteren Teil der Rohrbündel 15 angeordnet . Um ein Eintreten von Kondensat zu vermeiden, weisen die Luftkühlerbündel 19 j eweils Abschirmung 20 gegen eintretendes Kondensat auf . Alle Rohre innerhalb des Luftkühlerbündels sind katalytisch beschichtet , so dass eine kontinuierliche Umsetzung der Edukte gewährleistet ist . Die Beschichtung ist dabei auf allen überströmten Flächen aufgebracht . Als Beschichtungsmaterial eignet sich beispielsweise Palladium oder Platin sowie alle anderen katalytisch wirkenden Substanzen .
Der Besonderheiten des Wasserstof fes hinsichtlich einer Entmischung und/oder eines Auftriebs ( aufgrund seiner geringen molaren Masse ) ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen . Aus diesem Grund ist im Luftkühlerbündel 19 vorzugsweise im oberen oder mittleren Bereich des Luftkühlerbündel 19 eine Absaugeeinrichtung 21 angeordnet . Die Absaugeinrichtung kann beispielsweise an eine Wasserringpumpe 22 ( siehe Fig . 2 ) angeschlossen sein und das Gas wird über die Wasserringpumpe 22 einer Nachbehandlung, zur kontrollierten Verbrennung zugeführt oder in die Umgebung abgeführt .
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die vorliegende Erfindung erstmalig ein sicherer Betrieb einer Dampfturbinenanlage , bei der zumindest ein Teil des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbinenanlage durch die direkte Verbrennung von Sauerstof f mit Wasserstof f oder einem wasserstof fhaltigen Brennstof f bereitgestellt wird, ermöglicht wird . Darüber hinaus kann durch die vorliegende Erfindung erstmalig auch der sichere Betrieb eines Kondensa- tors/Wärmetauschers für eine solche Dampfturbinenanlage gewährleistet werden .

Claims

Patentansprüche
1. Dampfturbinenanlage, bei der zumindest ein Teil des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbinenanlage durch die direkte Verbrennung von Sauerstoff mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Brennstoff bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich und/oder schrittweise im Verlauf der Dampfströmung eine Auf konzentration nicht kondensierbarer Gase über eine vorgebbare Konzentration, durch eine kontrollierte Herbeiführung einer Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs verhindert wird.
2. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Herbeiführung der Verbrennungsreaktion benötigte Aktivierungsenergie durch wenigstens einen Rekombinator in Form eines Systems zum Zünden des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff unterhalb der Explosionsgrenze, bereitgestellt wird.
3. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Herbeiführung der Verbrennungsreaktion benötigte Aktivierungsenergie durch den Einsatz von katalytischen Rekom- binatoren oder der Anwesenheit von katalytisch wirkenden Stoffen auf Bauteiloberflächen so herabgesetzt wird, so dass es zu keiner unkontrollierten Reaktion des Sauerstoffs und des Wasserstoffs kommt.
4. Kondensator/Wärmetauscher (8) für eine Dampfturbinenanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kondensator (8) ein Kondensatorgehäuse (14) aufweist, in dem wenigstens ein im Wesentlichen horizontal angeordnete Rohrbündel (15) angeordnet sind, welche von der Dampf Strömung um- oder durchströmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Kondensatorgehäuses (14) wenigstens ein Rekombinator (17) angeordnet ist.
5. Kondensator/Wärmetauscher (8) für eine Dampfturbinenanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kondensator (8) ein Kondensatorgehäuse (14) aufweist, in dem wenigstens ein im Wesentlichen horizontal angeordnete Rohrbündel (15) angeordnet ist, welche von der Dampf Strömung um- oder durchströmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rohr des Rohrbündels (15) wenigstens teilweise katalytisch beschichtet ist.
6. Kondensator für eine Dampfturbinenanlage nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens in einem Rohrbündel (15) , ein Luftkühlerbündel (19) angeordnet ist, wobei das Luftkühlerbündel (19) eine Abschirmung (20) gegen eintretendes Kondensat und eine Gasabsaugung (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rohr, des Luftkühlerbündels (19) wenigstens teilweise katalytisch beschichtet ist.
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