DE4129115A1 - Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades verknuepfter abhitzeprozesse und dampferzeugungsanlage zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Dampferzeugungsanlage zur Durch­ führung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Zum Verständnis der Erfindung seien zunächst zwei Arten von Abhitzeprozessen definiert. Ein erster Abhitzeprozeß sei ein industrieller Abhitzeprozeß mit folgenden Merkma­ len:

• - das Abwärmeangebot ist schwankend und wird vom indu­ striellen Verfahren bestimmt.
• - Bei der Erzeugung von Dampf zum Antrieb einer nachge­ schalteten Dampfturbine werden die für die optimale Nutzung der Dampfenergie erforderlichen Parameter, insbesondere die Frischdampftemperatur, nicht oder nicht immer erreicht.

Solche Abhitzeprozesse sind charakteristisch für Müllverbrennungsanlagen, Sondermüllverbrennungsanlagen und Industrien, in welchen Prozeßgase bei relativ hohen Temperaturen kondensiert werden.

Ein zweiter Abhitzeprozeß sei ein Abhitzeprozeß, bei dem die Abgase für die Überhitzung des für die Dampfturbine erforderlichen Frischdampfes geeignet sind, wie er z. B. durch eine vorgeschaltete Gasturbine erzeugt werden kann.

Nutzt man einen Abhitzeprozeß der ersten Art, zur Erzeu­ gung elektrischer Energie mit Hilfe eines konventionellen Dampfprozesses, so ergibt sich im Vergleich zu einer kohle- oder gasbetriebenen Kraftwerksanlage ein sehr niedriger Wirkungsgrad, da die besonderen Bedingungen bei der Verbrennung von Müll eine Beschränkung der Prozeßpa­ rameter erfordern. In den Industriestaaten enthält der Müll zunehmende Mengen von Plastik, z. B. PVC. Während der Verbrennung dieses Materials entsteht Hydrochloridsäure (HCL), die nicht ausreichend neutralisiert werden kann und an den Kesseln, insbesondere an dem Überhitzer schwere Korrosionsschäden hervorruft. Selbst bei einer relativ reduzierten Dampftemperatur ergeben sich hier­ durch kurze Standzeiten und hohe Instandhaltungsaufwen­ dungen.

Aus "IR. TED Wiekmeÿer, Improvements in Incinerators by Means of Gas Turbine Based Cogen Systems, Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, June 11-14, 1990 Brussels, Belgium" ist es bekannt, den Wirkungsgrad industrieller Abhitzeprozesse der ersten Art durch Ver­ knüpfung mit einem Abhitzeprozeß der zweiten Art zu ver­ bessern. Hierbei dient der industrielle Abhitzeprozeß zur Erzeugung von Sattdampf, der anschließend mit Hilfe des Abhitzeprozesses einer vorgeschalteten Gasturbine in ei­ nem Dampfüberhitzer zu Frischdampf überhitzt wird.

Wesentlich ist, daß im Abhitzeprozeß der Gasturbine keine mit der Müllverbrennung vergleichbare Korrosionsgefahr besteht. Störend ist jedoch der hohe apparative Aufwand der bekannten Dampferzeugungsanlage und die Schwierig­ keit, auch bei starken Schwankungen der im Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampfmenge einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen.

Entsprechend der im industriellen Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampfmenge schwankt der Wärmebedarf des Dampfüberhit­ zers. Ein Ausgleich der hier benötigten Energie kann ent­ weder durch Installation einer Zusatzfeuerung vor dem Überhitzer oder durch eine an die Dampfproduktion ange­ paßte Belastung der Gasturbine herbeigeführt werden. Beide Maßnahmen sind nicht geeignet, einen optimalen Wir­ kungsgrad zu erreichen, da der Wirkungsgrad einer Zusatzfeuerung grundsätzlich als schlecht zu bezeichnen ist und Laständerungen der Gasturbine zur Anpassung der Abhitze an die erzeugte Sattdampfmenge selbstverständlich unerwünscht sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Dampferzeugungsan­ lage zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, durch die eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt wird, ohne daß eine Regelung der Frischdampfparameter durch eine entsprechende Änderung der Abgasparameter beim zwei­ ten Abgasprozeß erfolgen muß und ohne Verwendung einer Zusatzfeuerung.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestal­ tungen und Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände sind in den Unteransprüchen genannt.

Überraschenderweise gelingt es, mit ungewöhnlich einfa­ chen Maßnahmen die Nachteile bekannter Verfahren zur Er­ zeugung von Frischdampf mit Hilfe verknüpfter Abhitzepro­ zesse zu vermeiden, indem auch im zweiten Abhitzeprozeß Sattdampf erzeugt wird, und dieser Sattdampf mit dem im industriellen Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampf zusammen­ geführt und gemeinsam im Abhitzeprozeß zu Frischdampf überhitzt wird.

Die hierzu benötigte Dampferzeugungsanlage wird dabei so aufgebaut, daß der als industrieller Abhitzeprozeß be­ zeichnete erste Abhitzeprozeß in einem Abhitzekessel ab­ läuft, in dem sich auch ein erster Verdampfer zur Satt­ dampferzeugung befindet, und der der Gasturbine nachge­ schaltete zweite Abhitzeprozeß in einem zweiten Abhitze­ kessel abläuft, in dem sowohl ein Dampfüberhitzer zur Frischdampferzeugung als auch ein zweiter, dahinterlie­ gender Verdampfer zur Sattdampferzeugung angeordnet ist, und daß der Sattdampf des ersten und des zweiten Verdamp­ fers dem Dampfüberhitzer zugeführt ist.

Die Auslegung der Abhitzeprozesse erfolgt in vorteilhaf­ ter Weise derart, daß die im zweiten Abhitzeprozeß abge­ gebene Wärme durch die Höhe zuvor entnommener Energie, z. B. durch den elektrischen Leistungsbedarf einer Gastur­ bine, bestimmt ist, hierbei aber vorzugsweise keinen stärkeren Schwankungen unterliegt, dagegen die im ersten Abhitzeprozeß abgegebene, in Relation zum zweiten Abhitzeprozeß stark schwankende Wärmeabgabe in eine entsprechende Sattdampfmenge umgesetzt wird und bei er­ höhtem Anfall von Sattdampf aus dem ersten Abhitzeprozeß ein erhöhter Anteil der im zweiten Abhitzeprozeß an­ fallenden Wärme zur Überhitzung des Sattdampfes zu Frischdampf verwendet wird. Eine Verringerung der im zweiten Abhitzeprozeß nach der Überhitzung verbleibenden Wärme führt zu einer Verringerung des hier erzeugten Sattdampfes. Entscheidend ist jedoch, daß die insgesamt erzeugte Sattdampfmenge und damit auch die Menge des er­ zeugten Frischdampfes mit zunehmender Wärmeabgabe des er­ sten Abhitzeprozesses steigt, und die dadurch ebenfalls steigende Dampfturbinenleistung in elektrischen Strom um­ gesetzt werden kann.

Es ist zweckmäßig, sowohl dem ersten, wie auch dem zwei­ ten Verdampfer eine der Dampfproduktion entsprechende Speisewassermenge über Regelventile zuzuführen. Die Rege­ lung der Regelventile kann dabei entsprechend dem Wasser­ stand im Wasserraum der Verdampfer durch Niveauregler oder eine übliche Dreikomponentenregelung erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung zur Dampferzeugung bei verknüpften Abhitzeprozessen,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Temperaturver­ laufs von Abgas und Dampf im zweiten Abhitze­ kessel.

Wie man in der schematischen Darstellung nach Fig. 1 er­ kennt, sind zwei Abhitzeprozesse mit einem ersten Abhit­ zekessel A und einem zweiten Abhitzekessel B durch die Erzeugung von Sattdampf D1, D2 miteinander verknüpft. Eine Beschreibung der Abhitzeprozesse erfolgt nur bis zum Austritt der Abgase hinter dem jeweiligen Verdampfer 2, 5, so daß weitere Wärmetauscher im Abgasweg, wie z. B. Eco­ nomiser, die mit der Erfindung nicht in Verbindung stehen und somit unabhängig hiervon eingesetzt werden können, auch in der Zeichnung außer Betracht bleiben.

In einem ersten Abhitzeprozeß, z. B. von einer Müllverbrennungsanlage, gelangen die heißen Abgase W1 zu einem ersten Verdampfer 5, an den sie einen wesentlichen Teil ihres Wärmepotentials abgeben, und als entsprechend abgekühlte Abgase W2 weiterströmen. Im ersten Verdampfer 5 wird Sattdampf erzeugt, der auch leicht überhitzt wer­ den kann, indem z. B. die heißen Abgase entsprechend abge­ kühlt werden. Das im ersten Abhitzeprozeß erzeugte Abwär­ mepotential kann sich entsprechend den jeweiligen Ver­ brennungsvorgängen stark ändern, ohne daß dies durch die Schaltung beeinflußbar wäre. Dennoch bleibt die Tempera­ tur der Abgase nach dem ersten Verdampfer 5 relativ kon­ stant. Die Dampfproduktion entspricht dem jeweiligen Wärmepotential und muß durch geeignete Zuführung von Speisewasser gedeckt werden. Ein Regelventil 6 sorgt da­ für, daß der Wasserstand im Wasserraum (Kesseltrommel) gleich bleibt, und somit als Regelgröße für den Niveau­ regler 7 dienen kann. Der Wasserzulauf Z1 kann auch durch eine übliche Dreikomponentenregelung gesteuert werden. Der im ersten Verdampfer 5 erzeugte Sattdampf oder leicht überhitzte Dampf D1 wird einem Überhitzer 1 des zweiten Abhitzekessels B zugeführt.

Der zweite Abhitzekessel B ist außer mit dem Überhitzer 1 noch mit einem dahinterliegenden zweiten Verdampfer 2 ausgerüstet. Der Überhitzer 1 ist für die Summe der maxi­ malen Dampfmengen ausgelegt, die in den Verdampfern 5 und 2 gleichzeitig und bei voller Gasturbinenleistung erzeugt werden können. Die Auslegung des zweiten Verdampfers 2 erfolgt für das ihm verfügbare Abwärmepotential bei vol­ ler Gasturbinenleistung und minimaler Dampfmenge des er­ sten Abhitzekessels A, die auch auf Null sinken kann. Für die Auslegung des Überhitzers 1 und des zweiten Ver­ dampfers 2 werden Endgrädigkeiten vorausgesetzt, wie sie bei herkömmlichen Gasturbinenabhitzeprozessen üblich sind. Der Wasserzulauf Z2 wird wie beim ersten Verdampfer 5 durch ein Regelventil 3 und einem Niveauregler 4 be­ stimmt.

Das von einer Gasturbine kommende, den beiden Wärmetau­ schern 1, zugeführte Wärmepotential ist konstant, so­ fern die Gasturbinenleistung konstant bleibt. Dennoch steht dem zweiten Verdampfer 2 lediglich ein Abwärmepo­ tential zur Verfügung, das sich nach dem Abwärmeverbrauch im Überhitzer 1 richtet, welcher von der momentanen Dampfproduktion im ersten Abhitzekessel A maßgeblich be­ einflußt ist. Somit ändert sich die Dampfproduktion im zweiten Verdampfer 2 mit der im ersten Abhitzekessel A genutzten Abwärme, wobei die Abgastemperatur nach dem zweiten Verdampfer 2 im gesamten Betriebsbereich relativ konstant, leicht über der Dampfsättigungstemperatur bleibt.

Selbstverständlich ändert sich im zweiten Abhitzekessel B das Abwärmepotential mit der Last der Gasturbine. Eine solche Änderung wird jedoch von fremden Faktoren, z. B. dem elektrischen Leistungsbedarf, bestimmt und ist daher für die Verknüpfung der betrachteten Abhitzeprozesse nicht relevant. Der vom zweiten Verdampfer 2 kommende Sattdampfstrom D2 wird zusammen mit dem vom ersten Ver­ dampfer 5 kommenden Sattdampf D1 als Sattdampf D3 dem Überhitzer 1 zugeführt und auf das Temperaturniveau von Frischdampf überhitzt. Die Frischdampftemperatur hat be­ reits durch die Auslegung einen definierten Abstand zur Abgastemperatur der Gasturbine, der sich nur geringfügig mit der gesamten Dampfmenge ändert. Der vom Überhitzer 1 abgegebene Frischdampf D4 gelangt zu einer Dampfturbine, und erzeugt eine seiner Menge entsprechende Leistung.

Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, daß sich die Sattdampfproduktion im zweiten Abhitzekessel B bei gleichbleibender Gasturbinenleistung zwischen einem Mini­ mum (Leerlauf), bei maximaler Dampfproduktion im ersten Abhitzekessel A, und einem Maximum (Vollast), wenn der erste Abhitzekessel keinen Dampf erzeugt, ändern kann. Der in Fig. 2 skizzierte Verlauf der Abgastemperaturen im zweiten Abhitzekessel B gibt Aufschluß über die Ar­ beitsweise des Überhitzers 1 und des zweiten Verdampfers 2.

Das Abgas W3 der einen Generator antreibenden Gasturbine C strömt mit einer Temperatur T3 in den zweiten Abhitze­ kessel B und kühlt sich auf seinem Weg s am Überhitzer 1 und dem zweiten Verdampfer 2 auf ein Abgas W4 mit der Temperatur T4 ab. Je größer die vom ersten Verdampfer 5 kommende Dampfmenge D1 ist, umso mehr Wärmepotential des von der Gasturbine C kommenden Abgasstromes W3, wird vom Überhitzer 1 benötigt. Für den zweiten Verdampfer 2 bleibt entsprechend weniger Wärmepotential übrig. Bei ho­ her Dampfproduktion des ersten Verdampfers 5 gelangt der zweite Verdampfer 2 in den Leerlauf c, da nahezu das ge­ samte zur Verfügung stehende Wärmepotential vom Überhit­ zer 1 benötigt wird. Die Dampftemperatur folgt dabei fast völlig der Abgastemperatur, d. h. es wird mit einem beson­ ders hohen Wirkungsgrad gearbeitet. Entsprechend hoch ist auch die Leistungsabgabe an die Dampfturbine.

Wird vom ersten Verdampfer 5 kein Dampf D1 erzeugt, so muß der zweite Verdampfer 2 unter Vollast a arbeiten. Die Gesamtdampfmenge D1+D2=D3 ist hierbei relativ gering, so daß der Überhitzer 1 auch nur relativ wenig Wärmepo­ tential benötigt. Die Leistungsabgabe an die Dampfturbine ist entsprechend geringer. Zwischen der Vollast a und dem Leerlauf c des zweiten Verdampfers 2 liegt sein Lastbe­ reich b. Sollte wegen der momentanen Gasturbinenleistung das dem Überhitzer 1 verfügbare Abwärmepotential unzurei­ chend im Vergleich zur Dampfproduktion im ersten Abhitze­ kessel A sein, so fällt die Frischdampftemperatur ent­ sprechend, während der zweite Verdampfer 2 automatisch in Leerlauf c geht.

Die Belastung der Gasturbine erfolgt somit nach dem elek­ trischen Leistungsbedarf, d. h., daß die Frischdampfpara­ meter durch die Gasturbine nicht geregelt werden, und diese somit vom industriellen Abhitzeprozeß unabhängig gefahren werden kann. Weiterhin wird auch bei extremen Schwankungen des Wärmeangebotes die Frischdampftemperatur mit Hilfe des zweiten Abhitzeprozesses auf dem Sollwert gehalten. Dabei muß der Sollwert verständlicherweise dem Lastzustand der Gasturbine entsprechen. Der Frischdampf­ druck wird üblicherweise durch die nachgeschaltete Dampf­ turbine konstant gehalten. Die nach den Verdampfern 2, 5 austretenden Abgase besitzen eine etwa gleichbleibende Temperatur, d. h. relativ konstante, der Auslegung ent­ sprechende, pinch-points im gesamten Fahrbereich. Diese Merkmale werden gleichzeitig und unter allen Betriebsbe­ dingungen erreicht. Dadurch wird einerseits das gesamte Abwärmepotential beider Abhitzeprozesse genutzt und andererseits das vollständige Potential des Enthal­ piegefälles der Dampfturbine zur Verfügung gestellt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades verknüpfter Abhitzeprozesse zur Erzeugung von Frisch­ dampf, vorzugsweise zum Antrieb einer Dampfturbine, mit einem ersten Abhitzeprozeß, der für eine Frischdampfer­ zeugung mit hoher Temperatur nicht oder nicht immer ge­ eignet ist und einem zweiten Abhitzeprozeß, der den im ersten Abhitzeprozeß erzeugten Sattdampf (D1) auf die für Frischdampf benötigte Temperatur überhitzt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch im zweiten Abhitzeprozeß Sattdampf (D2) erzeugt wird und die Summe der im ersten Abhitze­ prozeß und der im zweiten Abhitzeprozeß erzeugten Satt­ dampfmengen (D3) im zweiten Abhitzeprozeß zu Frischdampf (D4) überhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im zweiten Abhitzeprozeß abgegebene Wärme durch die Höhe zuvor entnommener Energie bestimmt ist, aber vorzugsweise etwa gleich bleibt, und die im er­ sten Abhitzeprozeß abgegebene in Relation zum zweiten Abhitzeprozeß stark schwankende Wärmeabgabe in eine ent­ sprechende Sattdampfmenge umgesetzt wird und bei erhöhtem Anfall von Sattdampf (D1) aus dem ersten Abhitzeprozeß ein erhöhter Anteil der im zweiten Abhitzeprozeß an­ fallenden Wärme zur Überhitzung des Sattdampfes (D3) zu Frischdampf (D4) verwendet wird, und eine Verringerung der im zweiten Abhitzeprozeß nach der Überhitzung ver­ bleibenden Wärme zu einer Verringerung des hier erzeugten Sattdampfes (D2) führt.

3. Dampferzeugungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem ersten Abhitzekessel (A), in dem der erste Abhitzeprozeß abläuft und in dem ein erster Verdampfer (5) zur Sattdampferzeugung angeordnet ist, und mit einem zweiten Abhitzekessel (B), in dem der zweite Abhitzeprozeß ab­ läuft, und in dem ein Dampfüberhitzer (1) zur Frischdampferzeugung angeordnet ist, dem der Sattdampf (D1) des ersten Verdampfers (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Abhitzekessel (B) hinter dem Dampfüberhitzer (1) ein zweiter Verdampfer (2) zur Sattdampferzeugung angeordnet ist und dieser Sattdampf gemeinsam mit dem Sattdampf (D1) des ersten Verdampfers (5) dem Dampfüberhitzer (1) zugeführt ist.

4. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die vom ersten Verdampfer (5) erzeugte Sattdampfmenge nach der jeweiligen Wärmeab­ gabe im ersten Abhitzekessel (A) bemißt und ein erstes Regelventil (6) dem ersten Verdampfer (5) eine der Dampf­ produktion entsprechende Speisewassermenge zuführt.

5. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprü­ che 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die vom zweiten Verdampfer (2) erzeugte Sattdampfmenge nach der hinter dem Dampfüberhitzer (1) im zweiten Abhitzekessel (B) verbleibenden Wärme bemißt und ein zweites Regelven­ til (3) dem zweiten Verdampfer (2) eine der Dampfproduk­ tion entsprechende Wassermenge zuführt.

6. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprü­ che 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Regelventile (3, 6) entsprechend dem Wasserstand im Wasserraum der Verdampfer (2, 5) durch Niveauregler (4, 7) oder durch eine übliche Dreikomponentenregelung er­ folgt.

7. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprü­ che 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abhitzeprozeß ein industrieller Abhitzeprozeß mit schwankender, von der Art des Verbrennungsprozesses abhängiger Wärmeabgabe, insbesondere eine Müllverbrennung ist, und der zweite Abhitzeprozeß ein Abhitzeprozeß mit einer gegenüber dem ersten Abhitzeprozeß erhöhten, zu Erzeugung von Frischdampf zum Antrieb einer Dampfturbine geeigneter Abhitzetemperatur ist, der vorzugsweise durch eine vorgeschaltete Gasturbine erzeugt wird.

8. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfüberhitzer (1) für die Summe der maximalen Dampf­ mengen ausgelegt ist, die im ersten Verdampfer (5) und im zweiten Verdampfer (2) gleichzeitig und bei voller Gasturbinenleistung erzeugt werden.

9. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprü­ che 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegung des zweiten Verdampfers (2) für das ihm verfügbare Abwärmepotential bei voller Gasturbinenleistung und mi­ nimaler ggf. bis auf Null sinkender, vom ersten Ver­ dampfer (5) erzeugter Dampfmenge erfolgt.

10. Dampferzeugungsanlage nach einem der An­ sprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere erste Abhitzekessel (A) und ein oder mehrere zweite Abhitzekessel (B) vorgesehen sind und die Anzahl der ersten Abhitzekessel (A) von der Anzahl der zweiten Abhitzekessel (B) abweichen kann.

11. Dampferzeugungsanlage nach einem der An­ sprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- und Dampfturbinen unabhängig von der Dampfproduktion der ersten Abhitzekessel (A), auch bei deren Ausfall im Rahmen ihrer Leistungsfähigkeit weiter betreibbar sind.