DE2651900C3

DE2651900C3 - Dampfkraftanlage

Info

Publication number: DE2651900C3
Application number: DE2651900A
Authority: DE
Inventors: Isao Nikai
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1975-11-13
Filing date: 1976-11-13
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE2651900B2; DE2651900A1; GB1569629A; US4122680A

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit Dampferzeuger und einer von im Dampferzeuger erzeugtem Wasserdampf beaufschlagten Dampfkraftmaschine, deren Abdampf zur Dampferzeugung genutzt wird, wobei der Dampferzeuger aus mehreren Dampferzeugereinheiten besteht, die jeweils einen Behälter für eine Lösung mit höherem Siedepunkt als Wasser bei gleichem Druck und einen Wasserverdampfer aufweisen, der von der Lösung beheizt wird, wobei Abdampf der Dampfkraftmaschine in die Lösung eingeführt wird.

Aus der DE-PS 37 622 und US-PS 3 40 718 ist eine Dampfkraftanlage gemäß dem Oberbegriff bekannt.

Mit derartigen einstufigen Anlagen ist die im Wasserdampferzeuger zu gewinnende Dampfenergie zwangsläufig begrenzt Beim Einsatz von mehrstufigen Dampfkraftmaschinen ist die für die Hochdruckstufe zur Verfugung stehende und ausnutzbare Dampfenergiedifferenz begrenzt Ausgehend von den in diesen Patentschriften vorgeschlagenen Dampfkraftanlagen ist keine Abhilfe ersichtlich, da der Abdampf aus der Dampfkraftmaschine infolge der geleisteten Arbeit

ίο entspannt ist und daher zwangsläufig in seiner Energie vermindert ist Er kann daher nur in die Salzlösungen über Düsenöffnungen eingebracht werden, wenn der Druck der Salzlösungen auch gegenüber dem Druck dieses niedriggespannten Dampfes kleiner ist Hierdurch erfolgt eine Begrenzung der inneren Energie der Sole und damit der auf den Dampf im Wasserdampferzeuger übertragbaren Energie, so daß die Dampfkraftanlage gemäß dem Stand der Technik energetisch begrenzt ist

Die DE-PS 1 96 746 gehört nicht zum gattungsgemäßen Stand der Technik, da sie zu einem stark unterschiedlichen Zweck eingesetzt wird, nämlich zur Aufrechterhaltung der Wärmeabsorption im Arbeitsmedium innerhalb eines Temperaturbereichs, der sich vom Temperaturbereich unterscheidet, bei dem die Dampfkraftanlage arbeitet So ist gemäß dem in Fig. 2 dieser Patentschrift gezeigten Beispiel ein zwischen den Temperaturen 30O⁰C und 45° C verfügbares Wärmegefälle in drei gleiche Wärmegefälle von 180⁰C bis 100⁰C umzuformen, innerhalb der jede der drei Dampfkraftanlagen arbeitet

Aus der AT-PS 40 101 ist eine Natrondampferzeugeranlage zum Betrieb von Dampfkraftmaschinen auf Unterseebooten bekannt, deren Dampferzeugeranlage derart aufgebaut ist, daß keine Verschiebungen des Bootsschwerpunktes bewirkende Ungleichgewichte beim Betrieb dieser Anlage auftreten. Das Wirkungsprinzip der Dampfkraftanlage selbst entspricht weitgehend der in der DE-PS 37 622 beschriebenen Dampfkraftanlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkraftanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, mit der Wasserdampf extrem hoher Energien erzeugt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird nicht unmittelbar Abdampf der Dampfkraftmaschine in die Lösung derjenigen Dampferzeugereinheit eingeleitet, in der sich der Dampferzeuger für den in der Dampfkraftmaschine zu nutzenden Dampf befindet. Vielmehr wird dieser Abdampf, gegebenenfalls nach Erhöhung der Energie in einem weiteren Verdampfer, in eine vorgeschaltete Dampferzeugereinheit geleitet, in deren Wasserdampferzeuger Dampf niedrigerer Energie erzeugt wird. Dieser Dampf wird jedoch nicht in die Dampfkraftmaschine, sondern in die Lösung der nachgeschalteten Dampferzeugereinheit eingespeist, so daß in den in Reihe geschalteten Dampferzeugereinheiten Dampf immer höherer Energie entsteht und dadurch immer höhere Energie in der Lösung erzeugt werden kann. Im Ergebnis kann daher auf diese Weise die Energie des gattungsgemäß erzeugten Dampfes extrem weit gesteigert werden, so daß auf diese Weise auch Dampf für mit Hochdruck und Höchstdruck arbeitende Dampfkraftmaschinen zur Verfügung gestellt werden kann, während gegebenenfalls für mit Dampf niedrigerer Energie arbeitende Nachschaltstufen der Dampfkraft-

maschine Dampf aus Kesseln der unterschiedlichen Stufen entnommen werden und so zusätzlich genutzt werden kann.

Mit der Erfindung kann gegebenenfalls der gesamte Betriebsdampf für die Dampfkraftmaschine bei nur s geringer Zufuhr von Fremdenergie, gegebenenfalls irgendwelcher Verlustenergie, im wesentlichen nur zur Vorheizung und gegebenenfalls zur Eindickung, mit optimalem Wirkungsgrad Ober die Dampferzeugereinheiten gewonnen werden. ι ο

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform läßt sich eine optimale Ausnutzung von zur Verfügung stehender Verlustenergie zur Eindickung erzielen, wobei der Dampf aus dem Dampf raum der unter höherem Druck stehenden Eindicker der oberen Stufen zweckmäßigerweise ebenfalls einen Beitrag zum Betrieb der Dampfkraftmaschine leisten kann. Da der Druck in diesen Eindickern überwiegend aus dem höhergespannten Dampf gewonnen wird, der in die entsprechende Lösung der Dampferzeugereinheit eingeleitet wird, wird hierdurch im Ergebnis auch dessen Energie mitverbraucht, um mit niedrigerem Druck arbeitende Stufen der Dampfkraftmaschinen zusätzlich anzutreiben. Dadurch kann ohne regeltechnische Schwierigkeiten ein optimaler Betriebspunkt der gesamten Anlage eingestellt werden. Zweckmäßigerweise läßt sich der Wirkungsgrad noch dadurch verbessern, daß der Wasserdampferzeuger durch die Lösung vollständig umspült wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein geschlossener Dampf- oder Wasserkreislauf durch die Wasserdampferzeuger und die Dampfkraftmaschine vorgesehen, in dem ohne Frischwasserzufuhr das Wasser über lange Zeit frei von Verunreinigungen gehalten werden kann. Zweckmäßigerweise läßt sich der Abdampf nach sehr weitgehender Energieausnutzung in der Dampfkraftmaschine bis zur fast vollständigen Entspannung nutzen, wobei zur weiteren Energieersparnis der Wärmetauscher des zusätzlichen Wasserverdampfers mit Energie aus dem Kondensator und/oder zur Verfügung stehender Verlustenergie betrieben werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines mehrstufigen erfindungsgemäßen Energieerzeugers,

F i g. 2 und 3 gegenüber F i g. 1 abgewandelte Ausführungsformen des Energieerzeugers.

F i g. 1 erläutert einen dreistufigen, unter Ausnutzung des Konzentrationsgefälles der Salzlösungen arbeitenden Energieerzeuger. Die Anordnung gemäß F i g. 1 weist eine Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe, eine Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe und eine Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe sowie einen Wassertank 178, einen Lösungstank 188 und eine Dampfkraftmaschine 173 mit einer Ausgangswelle 174 auf. Die Dampferzeugereinheiten 148,155 und 162 der Oberstufe, Mittelstufe und Unterstufe sind in ihrer Konstruktion im wesentlichen gleich. Jede Dampferzeugereinheit 148, (155, 162) enthält eine Lösung 149 (156 163), beispielsweise eine stark wäßrige Lösung wie eine 40—70%ige Lösung aus NaOH oder aus Salzen, wie LiBr, CaCb ZnCb od. dgl., und weist einen reines Wasser 151 (158, 165) enthaltenden Verdampfer 150 (157, 164) einen Vorwärmer 175 (176, 177) und eine Düsenanordnung mit einer Mehrzahl von Düsenöffnungen 152 (159, 166) auf. Anstelle der trommeiförmigen Kessel für die Verdampfer 150, 157 und 164 gemäß F i g. 1 können auch irgendweiche anderen Verdampfergefäße eingesetzt werden, und auch die Vorwärmer 175, 176 und 177 können von jeder beliebigen Bauart sein, sofern sie nur thermische Energie an die Lösung 149, 156 und 163 in den Dampferzeugereinheiten 148, 155 und 162 abgeben. Der im Verdampfer 150 in der Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe erzeugte Dampf wird durch eine Dampfleitung 168 und ein Absperrorgan 169 einem Triebwerk zugeführt, welches den Dampf verbraucht, wozu eine Dampfleitung 170 mit einem Absperrorgan 171 vorgesehen ist, sowie der Dampfkraftmaschine 173 durch eine Dampfleitung 172 zugeführt Der Abdampf der Dampfkraftmaschine 173 wird durch eine Abdampfleitung 167 zurückgeführt und durch die Düsenöffnungen 166 in die Lösung 163 in der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe injiziert Der im Verdampfer 164 der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe erzeugte Dampf wird durch eine Dampfleitung 161 mit einem Absperrorgan 160 geleitet und wird durch die Düsenöffnungen 159 in die Lösung 156 in der Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe injiziert Entsprechenderweise wird der im Verdampfer 157 der Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe erzeugte Dampf über eine Dampfleitung 154 mit einem Absperrorgan 153 durch die Düsenöffnungen 152 hindurch in die Lösung 149 der Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe injiziert

Das im Wassertank 178 gespeicherte Wasser 179 wird über eine Förderpumpe 181 in den Verdampfer 164 der Unterstufe geleitet wobei eine Speiseleitung 182 mit einem Reduzierventil 183 vorgesehen ist, weiterhin über eine Speiseleitung 184 mit einem Reduzierventil 185 in den Verdampfer 157 der Mittelstufe und schließlich über eine Speiseleitung 186 mit einem Reduzierventil 187 in den Verdampfer 150 der Oberstufe geleitet

Die im Tank 188 befindliche Lösung 189 wird über eine Pumpe 191 durch eine Förderleitung 190 gepumpt. Die Lösung 189 gelangt dabei mittels einer Speiseleitung 192 mit einem Reduzierventil 193 über einen Wärmetauscher 211 in die Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe, mittels einer Speiseleitung 194 mit einem Reduzierventil 195 über einen Wärmetauscher 210 in die Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe und mittels einer Förderleitung 1% mit einem Reduzierventil 197 über einen Wärmetauscher 209 in die Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe.

Die verdünnte Lösung aus der Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe wird durch eine Rückführleitung 208 und durch den Wärmetauscher 209, ein Reduzierventil 205 und Rückführleitungen 204 und 200 in einen Lösungstank 198 für verdünnte Lösung 199 geleitet. In entsprechender Weise wird die verdünnte Lösung aus der Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe durch eine Rückführleitung 207 und durch den Wärmetauscher 210, ein Reduzierventil 203, eine Rückführleitung 202 und die Rückführleitung 200 in den Lösungstank 198 rückgeführt. Die verdünnte Lösung aus der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe wird über eine Rückführleitung 206, den Wärmetauscher 211, ein Reduzierventil 201 und die Rückführleitung 200 in den LCoungstank 198 für verdünnte Lösung rückgeführt.

Wenn beim Betrieb der Anlage gemäß F i g. 1 die Absperrorgane oder Ventile 153, 160, 169 und 171 geschlossen sind, so werden die Vorwärmer 175, 176 und 177 in Betrieb gesetzt, um die Lösung 149,

156 und 163 in den Dampferzeugereinheiten 148, 155 und 162 der Oberstufe, Mittelstufe bzw. Unterstufe auf die Sättigungstempertur bei dem Betriebsdruck aufzuheizen. Wenn die Sättigungstemperatur erreicht ist, werden die Absperrorgane 169,153 und 160 geöffnet, so daß der im Verdampfer 150 der Oberstufe erzeugte Dampf der Dampfkraftmaschine 173 zugeführt wird, während der Abdampf durch die Abdampfleitung 167 rückgeführt und durch die Düsenöffnung 166 in die Lösung 163 in der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe eingeführt wird. Die latente oder innere Wärme des injizierten Dampfes wird auf die Lösung 163 übertragen, deren innere Wärme wiederum an den Verdampfer 164 abgegeben wird, so daß das Wasser 165 im Verdampfer 164 in der Nähe der Verdampfungstemperaiur der Lösung 163 verdampft wird.

Der im Verdampfer 164 der Dampferzeugungseinheit 162 der Unterstufe erzeugte Dampf wird durch die Dampfleitung 161 mit dem Absperrorgan 160 abgegeben und über die Düsenöffnungen 159 in die Lösung 156 der Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe injiziert Ebenso wie im Fall der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe wird damit das Wasser 158 im Verdampfer

157 bei einer Temperatur verdampft, die um den Anstieg der Verdampfungstemperatur AT°C höher liegt als die Temperatur des im Verdampfer 164 der Unterstufe erzeugten Dampfes. Der Dampf wird durch die Dampfleitung 154 mit dem Absperrorgan 153 in die Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe überführt, wo der Dampf durch die Düsenöffnungen 152 in die Lösung 149 injiziert wird. Daher ist die Temperatur des im Verdampfer 151!) der Oberstufe erzeugten Dampfes um den Anstieg der Verdampfungstemperatur Δ T° C höher als die Temperatur des aus dem Verdampfer 157 der Mittelstufe kommenden Dampfes. Der im Verdampfer !50 der Oberstufe erzeugte Dampf wird über die Dampfleitung 168 mit dem Absperrorgan 169 und der Dampfleitung 172 der Dampfkraftmaschine 173 zugeführt Der Abdampf aus der Dampfkraftmaschine 173 wird wiederum in die Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe zugeführt

Beim Betrieb fallen der Druck und die Temperatur im Verdampfer 150 (157,164) allmählich mit dem Abfall der Konzentration der Lösung 149 (156, 163) durch die Absorption des Dampfes, durch thermischen Widerstand infolge der Wasserverdampfung und durch thermische Verluste ab. Wenn daher die Konzentration und somit die Verdampfungstemperatur der Lösung 149 (156,163) auf einen bestimmten Wert fällt, so wird der Druck und die Temperatur des Dampfes zu gering, um die Dampfkraftmaschine 173 anzutreiben.

in F i g. 2 ist eine Abwandlung einer erfindungsgernäßen Dampfkraftanlage zur Verwertung von Verlustwärme veranschaulicht wobei zur Bezeichnung entsprechender Teile Bezugszeichen gemäß Fig. 1 verwendet sind. Anstelle der beiden Tanks für konzentrierte und verdünnte Lösungen sind jedoch drei Eindicker 213,214 und 215 vorgesehen, so daß die Wärme aus einer Veriustwärmequelle 212 in Wärmetauschern 219, 220 und 221 auf die Lösungen 216,217 und 218 übertragen werden kann, um diese zu konzentrieren. Die konzentrierte oder eingedickte Lösung wird sodann durch Speiseleitungen 192,194 und 196 in die Dampferzeugereinheiten 162,155 bzw. 148 geleitet, wozu Natununlauf genügt Im Bedarfsfall können jedoch selbstverständlich Speisepumpen in die Speiseleitungen 192,194 und 196 eingesetzt werden. Die verdünnten Lösungen werden aus den Dampferzeugereinheiten 16% 155 und 48 mittels Rückführleitungen 206, 207 bzw. 208 in die Eindicker 213,214 und 215 zurückgeführt.

Der im Eindicker 215 erzeugte Dampf wird durch eine Dampfleitung 222 mit einem Absperrorgan 223 einer mittleren Stufe der Dampfkraftmaschine zugeführt. In entsprechender Weise wird der im Eindicker 214 erzeugte Dampf durch eine Dampfleitung 224 mit dem Absperrorgan 225 einer Endstufe der Dampfkraftmaschine 173 zugeführt. Der im Eindicker 213 der

ίο Unterstufe erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 226 einem Kondensator 227 zugeführt, während das kondensierte Wasser durch eine Speiseleitung 228 in den Wassertank 178 rückgeführt wird. Ein Teil des Abdampfes aus der Dampfkraftmaschine 173 wird durch eine Abdampfleitung 229 und die Dampfleitung 167 der Dampferzeisgereinheit 162 der Unterstufe zugeführt, während der restliche Teil durch eine Leitung 230 in den Kondensator 227 eingeführt wird, von wo das kondensierte Wasser über die Speiseleitung 228 in den

Wassertank 178 zurückgeführt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 wird nicht nur eine mehrstufige Absorption, sondern auch eine mehrstufige Anreicherung oder Konzentrierung der Lösung erzielt so daß der Wirkungsgrad bei der Nutzbarmachung der Verlustwärme oder Abwärme weiter verbessert werden kann.

In F i g. 3 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß F i g. 2 veranschaulicht, die einen noch höheren Wirkungsgrad aufweist und verwendet werden kann, wenn Kühlwasser zur Verfügung steht um den Dampfdruck im Kondensator deutlich abzusenken. Wenn bei der Anlage nach Fig.2 der Druck im Kondensator 227 gesenkt wird, so wird der Druck in der Dampferzeugereinheit 162 der Unterstufe im wesentli chen gleich dem Druck im Inneren des Kondensators 227, so daß die Injektion des Dampfes in die Dampferzeugereinheit 162 schwierig wird.

Die Abwandlung gemäß Fig.3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß F i g. 2 im wesentli chen dadurch, daß die Dampferzeugereinheit 162 und der Eindicker 213 der Unterstufe weggelassen sind, so daß die Verlustwärme, die zur Eindickung der Lösung 216 im Eindicker 213 verwendet wird, zur Verdampfung von Wasser 233 in einem Verdampfer 232 über einen Wärmetauscher 231 herangezogen wird, sowie dadurch, daß der gesamte Abdampf der Dampfkraftmaschine 173 dem Kondensator 227 durch die Abdampfleitung 299 zugeführt wird, während das kondensierte Wasser mittels einer Speisepumpe 234 in den Wassertank 232

so über eine Speiseleitung 228 mit einem Absperrorgan 183 gepumpt wird, sowie weiterhin in den Verdampfer 157 in der Dampferzeugereinheit 155 der Mittelstufe über die Speiseleitung 184 mit dem Absperrorgan 185 sowie über die Speiseleitung 186 mit dem Absperrorgan 187 in den Verdampfer 150 gepumpt wird.

Der im Verdampfer 232 erzeugte Dampf wird über die Leitung 161 und das Absperrorgan 160 in die Dampferzeugereinheit 155 geleitet und durch die Düsenöffnungen 159 in die Lösung 156 injiziert Der im Eindicker 215 erzeugte Dampf wird durch eine Dampfleitung 222 mit einem Absperrorgan 223 in eine Mittelstufe der Dampfkraftmaschine 173 eingeführt Der im Eindicker 214 erzeugte Dampf wird durch eine Dampfleitung 224 mit einem Absperrorgan 225 in eine

Endstufe der Dampfkraftmaschine 173 eingeführt Der im Verdampfer 150 in der Dampferzeugereinheit 148 der Oberstufe erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 168 mit einem Absperrorgan 169 und eine

Dampfleitung 172 in eine Anfangsstufe der Dampfkraftmaschine 173 eingeleitet, wobei jedoch ein Teil des Hochdruckdampfes aus dem Verdampfer 150 über eine Dampfspeiseleitung 170 mit einem Absperrorgan 171 an andere Stellen geleitet werden kann, in denen Dampf benötigt wird.

Der Energieerzeuger gemäß Fig. 2 und 3 kann jede beliebige geringe Temperaturdifferenz ausnützen, die in der Natur vorliegt, und selbst die Wärme, die bei der Abfallvernichtung anfällt oder ansonsten als Verlustwärme nutzlos abgeleitet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dampfkraftanlage mit Dampferzeuger und einer von im Dampferzeuger erzeugtem Wasserdampf beaufschlagten Dampfkraftmaschine, deren Abdampf zur Dampferzeugung genutzt wird, wobei der Dampferzeuger aus mehreren Dampferzeugereinheiten besteht, die jeweils einen Behälter für eine Lösung mit höherem Siedepunkt als Wasser bei gleichem Druck und einen Wasserverdampfer aufweisen, der von der Lösung beheizt wird, wobei Abdampf der Dampfkraftmaschine in die Lösung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampferzeugereinheiten (148, 155, 162) in Reihe hintereinandergeschaltet sind, wobei der jeweils im Verdampfer (157,164) erzeugte Wasserdampf der Lösung (149,156) in der nächstfolgenden Dampferzeugungseinheit (148, 155) zugeführt wird, der der Dampfkraftmaschine (173) zugeführte Wasserdampf dem Verdampfer (150) der letzten Dampferzeugereinheit (148) entnommen und der Abdampf der Dampfkraftmaschine (173) der ersten Dampferzeugereinheit (162) zugeführt wird, und daß eine Austauscheinrichtung an jeder Dampferzeugereinheit (148, 155, 162) zum Entnehmen von schwächer konzentrierter Lösung und Zuführen von stärker konzentrierter Lösung vorgesehen ist

2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Abdampfes einem Kondensator (227) zugeführt wird und daß der dem Kondensator (227) zugeführte Teil des Abdampfes als Kondensat den Verdampfern (150, 157, 164) zugeführt wird.

3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Abdampf in einem Kondensator (227) kondensiert wird, und daß ein Teil des Kondensats den Verdampfern (150,157) und der andere Teil nach Wiederverdampfung der Lösung (156) des ersten Verdampfers (155) zugeführt wird.

4. Dampfkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscheinrichtung einen für jede Dampferzeugungseinheit (148,155,162) eigenen, durch einen Wärmetauscher (219,220,221) beheizbaren Eindicker (213,214,215) aufweist, der mit der Lösung (149, 156, 163) in Verbindung steht.

5. Dampfkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf wenigstens des in der Reihe letzten Eindickers (215) einer Zwischendruckstufe der Dampfkraftmaschine (173) zugeleitet wird.