DE2612058C2 - Fernwärmeanlage - Google Patents

Description

Auf diese Weise werden die üblichen Übertragungsverluste vom Generator zum Motor eines elektrischen Verdichterantriebes vermieden.

Bei geringerem Wänneverbrauch, beispielsweise im Sommer, kann man durch Stromabgabe nach außen die Auslastung des Kraftwerks im Jahresdurchschnitt verbessern. Bei voller Heizleistung im Winter wird die mit dem Generator verbundene Niederdruckturbine stillgelegt, während die Hochdruckturbine den Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes antreibt und ihr Abdampf direkt zur Aufheizung des Heizmediums im Fernwärmeverbrauchernetz benutzt wird. Bei geringer Heizleistung im Sommer wird der Abdampf dei Hochdruckturbine nicht zur Aufheizung des Heizmediums benutzt, sondern in die dann mit der Hochdruckturbine gekuppelte Niederdruckturbine geleitet und damit zur Stromerzeugung im Generator verwendet Die Wärme des aus der Niederdruckturbine austretenden Abdampfes wird zusammen mit der aus der Umgebung entnommenen Wärme vom Wärmepumpenkreislaut auf ein höheres Temperaturviveau angehoben und an das Heizmedium abgegeben. Da im Sommer sowohl die Umgebungstemperaturen höher liegen als auch der Wärmebedarf für Heizzwecke geringer ist, erscheint in diesem Fall die vom Wärmepumpenkreislauf an das Heizmedium abgegebene Wärmemenge ausreichend. Wenn die Art der Wärmeverbraucher und die klimatischen Bedingungen es zulassen, kann man den Wärmepumpenkreislauf im Sommer ganz stillsetzen und dementsprechend den Verdichter von der Hochdruckturbine abkuppeln. In diesem Fall dient als Anlage im Sommer nur zur SU'omerzeugung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Generator als Elektromotor schaltbar und/oder ein getrennter Elektromotor als Antrieb für den Verdichter einschaltbar ist. Mit diesem elektrischen Antrieb (getrennter Elektromotor) des Verdichters kann zumindestens im Sommer bei Störungen oder Reparaturen der Dampferzeuger stillgelegt werden und dennoch eine Mindestwärmemenge, die aus der Umgebung entnommen wird, an das Verbrauchernetz abgegeben werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei kurzzeitig erhöhtem Wärmebedarf im Verbrauchernetz. Wenn man mit Hilfe von elektrischer Energie dem Verdichter mehr Leistung zuführt, als die Dampfturbine maximal aufbringen kann, so kann man damit zumindestens kurzzeitig die Wärmeabgabe an das Verbrauchernetz steigern. Dabei wird angenommen, daß die Spitzenlast beim Wärmeverbrauch zu einer anderen Zeit auftritt, als die Spitzenlast beim Stromverbrauch. Beispielsweise ist im Winter zu erwarten, daß zahlreiche automatisch gesteuerte Heizungsanlagen bereits zu heizen anfangen, wenn ein Großteil der Bevölkerung noch schläft. Die Spitzenlast beim Stromverbrauch tritt erst auf, wenn in Büros und Fabriken die Arbeit beginnt. Im Ganzen betrachtet wird durch den einschaltbaren elektrischen Antrieb des Verdichters die Verfügbarkeit der Anlage verbessert, allerdings werden auch die Investitionskosten erhöht.

In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der zweite Wärmetauscher (Dampfkondensator) und der vierte Wärmetauscher (Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufs) eine bauliche Einheit bilden. Unabhängig von der Frage, ob die Umgebungswärme aus Kühlwasser oder aus Kühlluft entnommen wird, sind in beiden Fällen mit Rücksicht auf die geringen Temperaturdifferenzen und auf möglichst niedrige Pumpen- bzw. Gebläseleistungen große Querschnitte erforderlich. Außerdem ist es m beiden Fällen wirtschaftlich, nur einen Kanal und nur eine Pumpe bzw. nur ein Gebläse vorzusehen.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Fernwärmeanlage sind folgende:

1. Die relativ geringe Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und dem warmen Ende im Wärmepumpenkreislauf ergibt eine relativ hohe Leistungsziffer für die Wärmepumpe und damit eine hohe Primärenergie-Einsparung.

2. Da die Dampfturbine als Krafterzeuger und der Verdichter als Kraftverbraucher mechanisch direkt gekuppelt sind, entstehen keine Verluste bei Energieumwandlung und -transport-

3. Die anmeldungsgemäße Schaltung von Dampfund Wärmepumpenkreislauf führt zu einer im Jahresdurchschnitt erhöhten Gesamtwirtschaftlichkeit

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dick ausgezogenen Linien zeigen den Dampfkreislauf im Heizbetrieb. Der im Dampferzeuger 1 erhitzte Dampf wird in der Hochdruckturbine 5 entspannt, und gibt seine Wärme in dem ersten Wärmetauscher 10 an das Heizmedium eines Wärmeverbrauchers ab, wobei er kondensiert Das Kondensat wird von der Speisewasserpumpe 19 wieder in den Dampferzeuger 1 gedrückt. Die Hochdruckturbine 5 treibt über eine lösbare Kupplung 6 den Verdichter 7 eines Wärmepumpenkreislaufes an, dessen Kreislaufmedium in dem dritten Wärmetauscher 11 ebenfalls Wärme an das Heizmedium des Wärmeverbrauchers abgibt. Anschließend wird das Medium des Wärmepumpenkreislaufes in dem Expansionsventil 12 entspannt, wobei es sich abkühlt und in dem vierten Wärmetauscher 13, der dabei aus der Umgebung Wärme entnimmt, wieder erwärmt Hierzu sind die Ventile 15 und 16 geschlossen, während das Ventil 14 geöffnet ist Auch sind im Heizbetrieb die Ventile 9 und 20 geschlossen, während die Kupplung 4 zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine geöffnet ist. Bei reiner Stromerzeugung dagegen, beispielsweise im Sommer, werden die Ventile 8 und 18 geschlossen und die Ventile 9 und 20 geöffnet, so daß der im Dampferzeuger 1 erhitzte Dampf über die Hochdruckturbine 5 zur Niederdruckturbine 3 und von dort durch den Dampfkondensator 17 strömt. Das Kondensat gelangt dann über die Speisewasserpumpe 19 zum Dampferzeuger 1 zurück. Dabei ist die Kupplung 6 geöffnet, während die Kupplung 4 geschlossen ist, so daß die Hochdruckturbine 5 und die Niederdruckturbine 3 gemeinsam den Generator 2 antreiben, der elektrischen Strom nach außen abgibt. Bei nur geringem Heizbedarf wird die ICuppiung 4 geöffnet und die Kupplung 6 geschlossen. Die Ventile 8,9,18 und 20 werden geöffnet, so daß der Verdichter 7 von der Hochdruckturbine 5 und der Generator 2 von der Niederdruckturbine 3 angetrieben wird. Bei kurzzeitig erhöhtem Heizbedarf werden die Kupplungen 4 und 6 sowie die Ventile 9 und 20 geschlossen und der Generator 2 wird als Elektromotor mit Fremdenergie betrieben. Die Niederdruckturbine 3 läuft leer mit, so daß der als Motor geschaltete Generator 2 und die Hochdruckturbine 5 gemeinsam dem Verdichter 7 eine erhöhte Leistung zuführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2

die jahreszeitlichen Abnahmeschwankungen ist nicht

Patentansprüche: "^Zeitschrift Brennstoff-Wärme-Kraft 1975 wer-1 Femwärmeanlage mit einem Dampferzeuger, den auf den Seiten 219 bis 224 der parnpficraftprozeß einer Hoch- und einer Niederdruckturbine, einem 5 und der Wärmepumpenprozeß miteinander verglichen, durch diese antreibbaren Generator, einem vom wobei insbesondere die Gegendruckturbine und die Dampf aus der Hochdruckturbine durchströmbaren Kupplung Kondensationsturbine/Warmepumpe gegenersten Wärmetauscher und einem vom Dampf aus über gestellt werden. Anhand von Gleichungen und der Niederdruckturbine durchströmbaren zweiten Diagrammen wird gezeigt, welche Möglichkeiten der Wärmetauscher der als durch Kühlwasser beauf- io Abwärmenutzung im Laufe emes Jahres bestehen und schlagbarer Dampfkondensator ausgebildet ist, wo- unter welchen Voraussetzungen die Wärmepumpe siimbei der erste Wärmetauscher zur Beheizung eines voll eingesetzt werden kann. Auf Seite 224 steht wort-Heizmediums dient und diesem - in Strömungsrich- Hch: »Es (das Bild 8) bestätigt, daß die Gegendruckturbine des Heizmediums gesehen - ein dritter War- ne, besonders bei den höheren Heizwassertemperatumetauscher vorgeschaltet ist, der Teil eines einen 15 ren der Kondensationsturbine-Wärmepumpe-Kupp-Verdichter einen Kondensator, ein Expansionsventil lung thermodynamisch weit überlegen ist« Sowie: »Die und einen'Verdampfer enthaltenden Wärmepum- Ergebnisse dieser Untersuchung, die Abdampfwärme penkreislaufs istdadurchgekennzeichnet, von Kondensationsturbinen für Heizzwecke auszunutdaß der dritte Wärmetauscher (11) den Kondensator zen, sind für die Kondensationsturbine-Wärmepumpedes Wärmepumpenkreislaufs bildet, dessen Ver- 20 Kupplung eindeutig negativ.«

dämpfer als vom Kühlwasser für den Dampfkonden- In dem VDI-Bericht Nr. 222: »Integrierte Energieversator (17) durchströmter vierter Wärmetauscher (13) sorgung« wird auf Seite 87 gesagt: »Es wird in der Ofausgebildet ist, daß der Verdichter (7) des Wärme- fentlichkeit die Frage diskutiert, ob man die Abwärme pumpenkreislaufs und die Niederdruckturbine (3) der Kernkraftwerke nicht dadurch nutzen könne, daß mitsamt dem mit ihr verbundenen Generator (2) mit 25 man das aufgewärmte Kühlwasser m die Ballungsgebieder Hochdruckturbine (5) kuppelbar sind, und daß in te leitet und dort das Temperaturniveau mittels Warmeden Leitungen zu dem ersten Wärmetauscher (10), pumpen anhebt« Auf Seite 88 kommt der Verfasser zu der Niederdruckturbine (3), dem Dampferzeuger (1), dem Schluß: »Stellt man die Werte zusammen, so sieht dem Dampfkondensator (17) und dem vierten War- man, daß die Fernheizung mit Kuhlwasser und elekmetauscher (13) absperrbare Ventile (8; 9; 18,2Oj 14, 30 trisch angetriebener Wärmepumpe der normalen Fern-15 16) vorgesehen sind. heizung bei kalorischer Betrachtung eindeutig unterle-

2 Fernwärmeanlage nach Anspruch 1, dadurch gen ist« Sowie: »Die vorgegangenen Überlegungen hagekennzeichnet, daß der Generator (2) als Elektro- ben die Vorteile der Mehrzweckkraftwerke aufgezeigt motor schaltbar und/oder ein getrennter Elektromo- Sie erlauben in der Form des Heizkraftwerkes, erheblitor als Antrieb für den Verdichter (7) einschaltbar ist 35 ehe Energiemengen einzusparen und ermöglichen m der

3 Fernwärmeanlage nach Anspruch 1, dadurch Form des Prozeßkraftwerkes, konventionelle Brenngekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher stoffe durch Kernenergie zu ersetzen. Das Heizkraft-(Dampfkondensator (17)) und der vierte Wärmetau- werk in Form des Kernkraftwerkes bietet neben der scher (13) (Verdampfer des Wärmepumpenkreis- Energieeinsparung auch die Möglichkeit der Substitulaufs) eine bauliche Einheit bilden. 40 tion konventioneller Brennstoffe - insbesondere von

Mineralöl — und trägt zu einer generellen Umweltentlastung auch auf der sogenannten Wärmemüllseite bei.«

Die Erfindung betrifft eine Fernwärmeanlage nach Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fernwärmeanlage

dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche der als bekannt vorausgesetzten Gattung derart weiter-

Anlage dient zur Erzeugung von Fernwärme bei weit- 45 zubilden, daß sich durch entsprechende Schaltung des

gehender Ausnutzung der in einem Wärmekiaftprozeß Dampf- und des Wärmepumpenkreislaufs eine im Jah-

bei gegebener Temperaturdifferenz gewinnbaren Ener- resdurchschnitt erhöhte Gesamtwirtscnaftlichkeit er-

gie und ist besonders interessant für kleinere Wärme- gibt.

kraftanlagen von ca. 300 bis 1000 MW,_ft ohne oder mit Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnen-

geringer Stromabgabe an das öffentliche Stromver- 50 den Merkmale des Patentanspruchs 1.

brauchernetz. Wenn man für Heizzwecke nicht nur die Abwärme

In der Zeitschrift »VGB Kraftwerktechnik 54« wird eines Kraftwerkes sondern auch die in der Umgebung auf den Seiten 775 bis 782 über die Verwendung von verfügbare Wärme auf dem Wege über einen Wärme-Wärme aus Kernkraftwerken zu Heizzwecken berich- pumpenkreislauf verwertet, kann man erheblich mehr tet Bild 2A zeigt ein Heizkraftwerk mit einer Wärme- 55 Wärme abgeben, als dem im Kraftwerk verbrauchten pumpe im Rücklauf. Dort wird mit einer elektromoto- Brennstoff entspricht, d. h. kostbare Primärenergie wird risch angetriebenen Wärmepumpe der Rücklauf eines eingespart und eine Belastung der Umgebung durch Fernwärmenetzes abgekühlt um die entnommene War- nicht nutzbare Abwärme von geringer Temperatur wird me auf einem höheren Niveau in einen weiteren Heiz- vermieden.

kreislauf mit einer Heiztemperatur von ca. 6O⁰C einzu- 60 Der von einem fossilbeheizten Dampfkessel oder

bringen. Dieses Temperaturniveau ist jedoch nur für auch von einem kleineren Kernkraftwerk produzierte

Hausinstallationen von Interesse und auch nur, wenn Dampf treibt über eine Dampfturbine direkt der Ver-

diese dementsprechend ausgelegt sind. Weiterhin sind dichter des Wärmepumpenkreislaufs an, der aus der

elektrisch angetriebene Wärmepumpen in gesamtwirt- Umgebung Wärme von geringem Temperaturniveau

schaftlicher Hinsicht von geringer Bedeutung, weil diese 65 entnimmt und auf einem höheren Temperaturniveau an an Heizleistung etwa nur das bringen, was vorher bei das Heizmedium abgibt. Der Abdampf der Turbine wird

der Stromerzeugung in einem Dampfkraftwerk an Pri- direkt zur weiteren Beheizung des vom Wärmepumpenmärenergie aufgebracht worden ist. Eine Anpassung an kreislauf bereits vorgewärmten Heizmediums benutzt.