WO2015067397A1 - Thermische kraftanlage mit nutzung der abwärme eines generators - Google Patents

Thermische kraftanlage mit nutzung der abwärme eines generators Download PDF

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WO2015067397A1 PCT/EP2014/069867 EP2014069867W WO2015067397A1 WO 2015067397 A1 WO2015067397 A1 WO 2015067397A1 EP 2014069867 W EP2014069867 W EP 2014069867W WO 2015067397 A1 WO2015067397 A1 WO 2015067397A1
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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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    • 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
  • great efforts are under take to convert in the combustion of fossil fuels or nuclear fission heat released with the highest possible degree of efficiency in mechanical and finally in electrical energy.
  • the heat released is partly used for heating ⁇ purposes or as process heat elsewhere. To enable this use of heat, a somewhat reduced generation of electrical energy is also accepted.
  • WO 2007/132312 A2 discloses a fuel drying which uses waste heat from the condenser. For this purpose, the heat is removed by a heat exchanger leading from the condenser in the cooling tower fluid circuit.
  • the object of the invention is a further improvement of the WIR kung grads or the energy utilization efficiency to achieve, al ⁇ as increased production of electric energy or increased Use of released heat for other purposes.
  • a thermal power plant is to provide a generator having a cooling system for the generator, wherein the released during the cooling from ⁇ heat of the generator for fuel drying, in particular for drying coal is usable. 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 cooling medium ⁇ circuit has a heat exchanger, with the waste heat received by the coolant during cooling of the generator for heating substances to be heated can be dispensed.
  • 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 feedwater pre-heating is available.
  • the feed water to steam which is diverted from the turbine before it is complete relaxation, is a common measure to Stei ⁇ delay in efficiency.
  • the feed water coming from the condenser is ahead of another one Heating with the waste heat of the generator can be heated.
  • the signified ⁇ tet the first targeted heating of the feed water after the exit of the feed water from the condenser is effected by the waste heat of the generator. So that a slight warming can be done for example by Vice ⁇ environment heat before heating by the waste heat of the genes ⁇ rators should not be excluded. It should be said, however, that in this embodiment, 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 for He ⁇ heating is no longer sufficient. It must be remembered that temperature differences are always required to transfer the heat. Thus, 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 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 who ⁇ .
  • Direct leadership is understood to mean that seen from lines and optionally pumps and Venti ⁇ len no essential components are present. As already stated above should be achieved so that the first substantial heating of the feed water coming from the condenser by the waste heat of the generator, ie when ahead ⁇ embodiment takes place in the heat exchanger.
  • 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 comparatively niedri ⁇ ger temperature, the preheating with the waste heat of the generator is a sensible use of waste heat. For prakti ⁇ rule implementation is usually provided a heat exchanger.
  • 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 medium-pressure turbine 4 After the relaxation tion of the steam in the high-pressure turbine 2 leads a line 3 to a medium-pressure turbine 4.
  • the steam is ge ⁇ through a line 5 to a low-pressure turbine. 6
  • expansion in the low pressure turbine 6 of the steam, which already has a certain moisture is passed through ei ⁇ ne line 7 in a capacitor.
  • the high-pressure turbine 2, the intermediate-pressure turbine 4 and the Niederbuchtur- bine 6 lie on a common shaft 9 which drives a generator 10, in which the mechanical energy into elekt ⁇ innovative energy is converted.
  • This results in waste heat, wel ⁇ che is discharged through a coolant circuit 11.
  • the coolant circuit 11 leads to a heat exchanger 12 from the condensation of steam in the condenser 8 recovered feed water is also performed in a feedwater line 13 through the heat exchanger 12.
  • the discharged from the coolant ⁇ circulation 11 from the generator 10 waste heat is transferred to the feed water.
  • FIG. 1 are arranged in the further course of the feedwater line 13
  • Preheating stages in which the feed water is preheated with steam are 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

Beschreibung
Thermische Kraftanlage mit Nutzung der Abwärme eines
Generators
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 unter nommen, 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 ent- nehmen und vor allem zur Vorwärmung des Speisewassers zu nut zen .
Häufig wird auch die freiwerdende Wärme teilweise zu Heiz¬ zwecken 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 Ver¬ hältnis von gewonnener elektrischer Energie zur aufgewandten Verbrennungsenergie oder Kernspaltungsenergie ist. Zur Unter Scheidung wird mitunter von einem Energieausnutzungsgrad ge¬ sprochen, bei dem neben der gewonnenen elektrischen Energie auch die nutzbare thermische Energie berücksichtigt wird.
Aus der DE 20 2012 006 055 Ul ist eine Vorrichtung zum Erzeu gen elektrischer Energie mittels eines Organic-Rankine- Kreislaufs in Verbindung mit einem Turbinengenerator beschrieben. Dabei ist ausgeführt, dass der Kühlmantel des Tur binengenerators von einem Prozessfluid durchströmt wird und die dem Turbinengenerator entnommene Wärme wieder dem Ar- beitsfluid des Organic-Rankine-Kreislaufs zugeführt wird. Aus der DE 197 53 264 Cl ist Gasturbinenanlage bekannt, bei der dem Verdichter einer Gasturbine zuzuführende Ansaugluft über Abluft aus einem luftgekühlten Generator vorwärmbar ist.
Aus der WO 2007/132312 A2 ist eine Brennstofftrocknung be- kannt, welche Abwärme aus dem Kondensator nutzt. Dazu wird die Wärme durch einen Wärmetauscher dem vom Kondensator in den Kühlturm führenden Fluidkreislauf entnommen.
Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Verbesserung des Wir- kungsgrads oder des Energieausnutzungsgrads zu erreichen, al¬ so 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 Ge- nerator aufweist, wobei die bei der Kühlung freiwerdende Ab¬ wärme des Generators zur Brennstofftrocknung, insbesondere zur Trocknung von Kohle, nutzbar 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.
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 ther- modynamisch 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 zur Kühlung des Generators ein Kühlmittelkreislauf vorhanden, wobei der Kühl¬ mittelkreislauf 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 Speisewasservorwärmung nutzbar. Die Speisewasservorwärmung mit Dampf, der vor seiner vollständigen Entspannung aus der Turbine abgezweigt wird, ist eine übliche Maßnahme zur Stei¬ gerung 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 Er wärmung mit der Abwärme des Generators erwärmbar. Das bedeu¬ tet, 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 Umge¬ bungswärme bereits vor Erwärmung durch die Abwärme des Gene¬ rators 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 Er¬ wärmung 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 wer¬ den. Unter einer direkten Führung ist zu verstehen, dass ab- gesehen von Leitungen sowie gegebenenfalls Pumpen und Venti¬ len 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 vor¬ liegenden 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 niedri¬ ger Temperatur, stellt die Vorwärmung mit der Abwärme des Generators eine sinnvolle Nutzung der Abwärme dar. Zur prakti¬ schen 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 Speise¬ wasser erhitzt und verdampft. Über eine Leitung 2 wird der Dampf in eine Hochdruckturbine 2 geführt. Nach der Entspan- nung des Dampfs in der Hochdruckturbine 2 führt eine Leitung 3 zu einer Mitteldruckturbine 4. Dabei erfolgt eine Zwischen- überhitzung 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 ge¬ führt. Nach der Entspannung in der Niederdruckturbine 6 wird der Dampf, der bereits eine gewisse Nässe aufweist, durch ei¬ ne Leitung 7 in einen Kondensator 8 geführt. Die Hochdruckturbine 2, die Mitteldruckturbine 4 und die Niederdrucktur- bine 6 liegen auf einer gemeinsamen Welle 9, welche einen Generator 10 antreibt, in dem die mechanische Energie in elekt¬ rische Energie umgewandelt wird. Dabei entsteht Abwärme, wel¬ che 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 Kühlmittel¬ kreislauf 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 ge¬ steigert 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 einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Thermische Kraftanlage mit einem Generator (10),
aufweisend eine Kühlung (11) für den Generator (10), wobei die bei der Kühlung freiwerdende Abwärme des Genera¬ tors (10) zur Brennstofftrocknung, insbesondere zur Trocknung von Kohle, nutzbar 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 erwär¬ menden Stoffen abgegeben werden kann.
3. Thermische Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abwärme zur Speisewasservorwärmung nutzbar ist.
4. Thermische Kraftanlage nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
aus einem Kondensator (8) kommendes Speisewasser vor einer anderweitigen Erwärmung mit der Abwärme des Generators (10) erwärmbar ist.
5. 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.
6. Thermische Kraftanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abwärme zur Verbrennungsluftvorwärmung nutzbar ist.
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) zur Brennstoff¬ trocknung, insbesondere zur Trocknung von Kohle, eingesetzt wird .
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