HILFSDAMPFERZEUGERSYSTEM FÜR EIN KRAFTWERK

Beschreibung

HilfsdampferzeugerSystem für ein Kraftwerk Konventionelle Kraftwerksanlagen mit einem Wasser-Dampf -

Kreislauf benötigen für zusätzliche Prozesse, besondere Fahrweisen oder Betriebszustände zusätzlichen Dampf, der unter Umständen nicht durch den eigentlichen Dampferzeugungsprozess bereit gestellt werden kann. Zu diesen Sonderbetriebszustän- den zählen insbesondere instationäre Betriebszustände, der

Betriebsstillstand, Teillastbetrieb oder auch der An- und Abfahrvorgang. So wird Hilfsdampf beispielsweise beim Betriebsstillstand zur Druckhaltung bzw. zum Warmhalten des Speisewassertanks sowie zur SperrdampfVersorgung der Dampfturbine benötigt. Der durch den eigentlichen Dampferzeugungsprozess erzeugbare Dampf kann dabei unter Umständen den für die

Druckhaltung des Speisewassertanks, oder den Betrieb anderer Hilfssysteme der Kraftwerksanlage nicht, oder nicht vollständig ausreichen.

Um diesem Problem zu begegnen, sind in den Wasser-Dampf - Kreislauf der konventionellen Kraftwerksanlage nach dem Stand der Technik zusätzliche Hilfsdampferzeuger integriert. Diese Hilfsdampferzeuger sind fossil befeuerte Kessel, so genannte Hilfsdampfkessel. Sie werden meist mit Gas oder Öl, oder auch mit anderen fossilen Brennstoffen betrieben.

Derartige Hilfsdampferzeuger stellen beim Bau von Kraftwerksanlagen, insbesondere durch die aufwendige und komplexe Ver- Schaltung des Hilfsdampferzeugers in den Wasser-Dampf -

Kreislauf und mit den HilfsdampfSystemen ein hohes Investment dar. Durch die komplexe Verschaltung haben sie einen großen Platzbedarf. Zudem erfordern sie beim Bau zusätzlichen Genehmigungsaufwand. Da die Hilfsdampferzeuger insbesondere für den Sonderbetrieb vorgesehen sind, werden sie im Normalbetrieb der Kraftwerksanlage nicht benötigt, verursachen aber dennoch laufende Kosten bzw. Wirkungsgradverluste, da sie elektrisch, oder über Dampf aus dem Wasser-Dampf -Kreislauf der Kraftwerksanlage warm gehalten werden müssen. Auch verursachen sie regelmäßige und nicht unerhebliche Wartungskosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hilfsdampferzeugersystem anzugeben, durch dass die Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden sind, und sich vor allem die Installationskosten drastisch reduzieren lassen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Hilfsdampferzeugung anzugeben, durch das die Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden.

Die auf die Bereitstellung eines Hilfsdampferzeugersystems gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1. Es wird ein Hilfsdampferzeugersystem für ein Kraftwerk vorgeschlagen, dass einem Wasser-Dampf-Kreislauf mit einer Kondensatleitung umfasst, wobei in die Kondensatleitung eine Kondensatpumpe und in die Speisewasserleitung eine Speisewasserpumpe geschaltet sind. Weiterhin ist in die Leitungen zwi- sehen der Kondensatpumpe und der Speisewasserpumpe ein Druckspeicherbehälter geschaltet, und nach dem Druckspeicherbehälter an dem Wasser-Dampf-Kreislauf an einer Abzweigstelle eine Speisewasserabzugsleitung angeschlossen. Erfindungsgemäß ist nun die Speisewasserabzugsleitung mit dem Druckspeicherbehäl - ter verbunden, und in die Speisewasserabzugsleitung eine Heizvorrichtung geschaltet.

Als Druckspeicherbehälter ist der Speisewassertank des Kraftwerks vorgesehen, der somit nun die Funktion erfüllt, Konden- sat bzw. Speisewasser für den Wasser-Dampf-Kreislauf zu speichern, und zudem Dampf bzw. Sattdampf für die Versorgung des Kraftwerks mit Hilfsdampf zu versorgen. Die Heizvorrichtung ist dazu so ausgelegt, dass durch diese das Speisewasser erwärmbar ist, sodass in dem Druckspeicherbehälter Dampf nach entsprechender Druckreduzierung erzeugbar ist.

Durch die Erfindung wird erzielt, dass der Speisewassertank, bzw. Druckspeicherbehälter, auch in Sonderbetriebszuständen ohne ausreichenden Prozessdampf auf einem notwendigen Druck, bzw. auf entsprechender Temperatur gehalten werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Hilfsdampferzeuger benötigt wird. Hierdurch wird der Speisewassertank als thermischer Speicher ge- nutzt („Ruths-Speicher"). Dazu ist der Speisewassertank entsprechend der erhöhten Anforderungen gegebenenfalls größer ausgelegt, als ohne die Funktion einer zusätzlichen Druck- speicherung . Durch die Erfindung kann die Hilfsdampferzeugung in einem Kraftwerk wesentlich weniger komplex realisiert werden, da auf einen zusätzlichen DampfSpeicher und fossil befeuerte Hilfsdampferzeuger verzichtet werden kann. Dadurch ergeben sich einerseits Vorteile durch einen geringeren Platzbedarf für die Hilfssysteme. Andererseits wird durch die Erfindung auch der Energieverbrauch reduziert. Ein herkömmlicher Hilfskessel muss elektrisch oder über Dampf warmgehalten werden und weist auch hohe Stillstandsverluste auf. Da der Speisewasserbehälter nun zudem als Energiespeicher genutzt wird, ist der Speisewasserbehälter somit ohnehin warm. Folglich kann auf zusätzliche Systeme und Leitungen für die Warmhaltung verzichtet werden. Da durch die Erfindung die Komplexität sinkt, werden zudem die Wartungskosten reduziert, und die Verfügbarkeit stark erhöht.

Der in dem Druckspeicherbehälter gespeicherte Dampf kann auch vorteilhaft für die Versorgung von HilfsdampfVerbrauchern verwendet werden. Dazu umfasst das Kraftwerk weitere Hilfs- dampfVerbraucher, wobei der Druckspeicherbehälter über eine Dampfleitung mit den HilfsdampfVerbrauchern verbunden ist.

Die Dampfparameter im Druckspeicherbehälter wie Dampfdruck und Dampftemperatur werden dazu entsprechend auf die zu versorgenden HilfsdampfVerbraucher eingestellt. Die Einstellung erfolgt mittels Heizung, Kondensatnachspeisung oder Speisewasserpumpe, und/oder Drosselventile. Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Hilfsdampferzeugersystems ist in die Speisewasserabzugsleitung zwischen der Heizvorrichtung und dem Druckspeicherbehälter ein Druckhalteventil geschaltet, durch das der Druck zwischen Heizvorrichtung und Druckhalteventil soweit erhöht wird, dass der Betriebsdruck in ausreichend hohem Abstand zum Dampfdruck des Mediums bei der jewei- ligen Betriebstemperatur liegt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Hilfsdampferzeugersys- tems ist die Speisewasserabzugsleitung an die Kondensatleitung des Wasser-Dampf-Kreislaufes angeschlossen, und in die Speisewasserabzugsleitung vor der Heizvorrichtung eine Umwälzpumpe geschaltet ist. Durch die Umwälzpumpe können die Dampfparameter indirekt durch den Durchsatz, die Beheizung und entsprechend der Druckreduzierventilstellung eingestellt werden. Je nach Ausgestaltung des Kraftwerks kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die Speisewasserabzugsleitung an einer Entnahmestelle der Speisepumpe oder hinter der Speisewasserpumpe angeschlossen ist. Dazu sind speziell konfigurierte Speisewasserpumpen erforderlich. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Hilfsdampferzeugersystems ist die Heizvorrichtung elektrisch.

Durch die Erfindung lassen sich insbesondere die Installationskosten eines Kraftwerks senken, da durch den Einsatz einer elektrisch beheizten Heizvorrichtung für den Hilfsdampferzeu- ger auf einen sonst aufwendigen und teuren Hilfsdampferzeuger verzichtet werden kann. Kommt die Erfindung bei einem Solarkraftwerk zum Einsatz, kann durch die Verwendung einer elektrischen Heizvorrichtung eine komplett „regenerative Energieerzeugung" verwirklicht werden. Da die elektrisch beheizte Heizvorrichtung emissionsfrei arbeitet, ist mit einem geringeren Genehmigungsaufwand für Solarkraftwerksanlagen zu rechnen. Durch den Verzicht auf eine fossil befeuerte Hilfsdamp- ferzeugung ist kein BrennstoffSystem zur Lagerung und Verteilung des Brennstoffs notwendig.

Das Hilfsdampferzeugersystem kommt vorteilhaft in einem Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk zum Einsatz. Aber auch in anderen fossil befeuerten Dampfkraftwerksanlagen können die Vorteile des Hilfsdampferzeugersystems genutzt werden. Besonders vorteilhaft kommt das Hilfsdampferzeugersystem auch in einem CSP (Concentrating Solar Power) Dampfkraftwerk mit solar beheizter Dampferzeugung zum Einsatz .

Die auf ein Verfahren zur Hilfsdampferzeugung gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 9. Das Verfahren zur Hilfsdampferzeugung in einem Kraftwerkspro- zess sieht dabei einen in einen Wasser-Dampf-Kreislauf geschalteten Speicher vor, in den Kondensat aus dem Wasser- Dampf-Kreislauf gefördert wird. Das Kondensat wird in dem Speicher gespeichert, gemischt und entgast, und anschließend als Speisewasser aus dem Speicher ausgeleitet, und ein Teilstrom des ausgeleiteten Speisewassers abgezogen. Erfindungsgemäß wird nun der Teilstrom in einem Heizprozess erhitzt, und wieder in den Speicher zurück geführt . Der Speicher entspricht einem Sammeltank für Speisewasser, in dem ein Volumen an Flüssigkeit für den Wasser-Dampf-Kreislauf zwischengespeichert werden kann. Der Sammeltank dient dadurch auch als Puffer für das Speisewasser. Der Teilstrom wird auf Temperaturen in ausreichendem Abstand unterhalb des Siedepunkts bzw. über den Siedepunkt erhitzt. Durch die Rückführung des erhitzten Teilstroms in den Speicher wird der Druck in dem Speicher erhöht. Dadurch wird der Speicher zusätzlich als Druckspeicher für Prozessdampf nutz- bar.

Da deswegen auf einen zusätzlichen Druckspeicher für Prozessdampf und auf einen sonst aufwendigen und teuren Hilfsdampferzeuger verzichtet werden kann, lassen sich durch das Erfin- dungsgemäße Verfahren, insbesondere die Installationskosten eines Kraftwerksprozesses senken. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Hilfsdampferzeugungsprozess zudem wesentlich weniger komplex realisiert werden. Bei einer vorteilhaf- ten Ausgestaltung wird dazu Dampf aus dem Speicher abgezogen, und einem Hilfsdampfprozess des Kraftwerksprozesses zugeführt . Der Dampf kann dabei durch verschiedene Verfahren erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Teil- strom des Speisewassers in dem Heizprozess zunächst bis knapp unter den Siedepunkt des Speisewassers erhitzt, und in dem Speicher unter der Entspannung des Speisewassers gefördert und verdampft. Der Abstand der Temperatur, auf die das Speisewasser erhitzt wird, bis zur Siedetemperatur ist dabei ausreichend groß, sodass es noch zu keiner Ausdampfung vor Einleitung in den Speicher kommt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das erhitzte Speisewasser durch einen Pumpprozess in den Speicher gefördert wird. Der Pumpprozess besteht dabei insbesondere aus einer Umwälzpumpe und ggf. Ventile.

Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Teilstrom des Speisewassers in dem Heizprozess bis zum Siedepunkt oder über den Siedepunkt des Speisewassers erhitzt, wobei Dampf unter Aufbau von Druck gebildet wird und der Dampf in dem Speicher unter Ausnutzung des Dichteunterschieds zwischen Dampf und Speisewasser gefördert wird. Auf eine zusätzliche Pumpe kann hier verzichtet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Teilstrom des Speisewassers in der Heizvorrichtung elektrisch erhitzt wird. Dadurch kann eine emissionsfreie Dampferzeugung realisiert werden .

Das Verfahren zur Hilfsdampferzeugung wird vorteilhafterweise dann betrieben, wenn das Kraftwerk sich in instationären Be- triebszuständen im Stillstand oder in Teillastbetrieb oder im An-/ Abfahrbetrieb befindet, um dem Kraftwerksprozess mit ausreichend Hilfsdampf zu versorgen. Der Kraftwerksprozess umfasst dabei vorzugsweise einen Gas- und Dampfturbinenpro- zess mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf , wobei das Verfahren zur Hilfsdampferzeugung in den Wasser-Dampf-Kreislauf des Gas- und Dampfturbinenprozesses integriert ist.

Alternativ ist der Kraftwerksprozess ein CSP-Dampfkraftwerks- prozess mit einem solar beheizten Dampferzeugungsprozess , wobei das Verfahren zur Hilfsdampferzeugung in den Wasser- Dampf-Kreislauf des CSP-Dampfkraftwerkprozesses integriert ist . Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. Darin zeigt:

FIG 1 ein Hilfsdampferzeugersystem für ein Kraftwerk, FIG 2 ein Verfahren zur Hilfsdampferzeugung für einen

Kraftwerksprozess .

In FIG 1 ist ein Hilfsdampferzeugersystem 1 dargestellt, wie es in ein fossil befeuertes Kraftwerk oder ein Solarkraftwerk integriert sein kann. Das Kraftwerk umfasst einen Wasser- Dampf-Kreislauf 2 von dem hier lediglich der Abschnitt der Kondensatleitung 3 gezeigt ist.

In die Kondensatleitung 3 sind im Wesentlichen eine Konden- satpumpe 4, ein Druckspeicherbehälter 6 und in die Speisewasserleitung 16 ist eine Speisewasserpumpe 5 geschaltet. Durch die Kondensatpumpe 4 wird Kondensat in den Druckspeicherbehälter 6 gefördert. In dem Druckspeicherbehälter wird das Kondensat entgast, gemischt und gespeichert, bevor es durch die Speisewasserpumpe 5 wieder in durch die Speisewasserleitung 16 in den Wasser-Dampf-Kreislauf 2 gepumpt wird.

Erfindungsgemäß ist nun eine Speisewasserabzugsleitung 8 vorgesehen, die an einer Abzweigstelle 7 an der Speisewasserlei- tung 16 zwischen Druckspeicherbehälter 6 und Speisewasserpumpe 5 angeschlossen ist. Nicht dargestellt ist hier eine alternative Ausführungsform, bei der die Speisewasserabzugslei - tung 8 direkt an der Speisewasserpumpe 5 oder nach der Speisewasserpumpe 5 angeschlossen ist.

Die Speisewasserabzugsleitung 8 verbindet die Speisewasser- leitung 16 mit dem Druckspeicherbehälter 6. In die Speisewasserabzugsleitung 8 sind im Wesentlichen eine Umwälzpumpe 13 und eine Heizvorrichtung 9 geschaltet. Durch die Heizvorrichtung 9 ist der abgezogene Teilstrom des Speisewassers erhitzbar. In die Speisewasserabzugsleitung 8 sind zudem Ventile zur Steuerung des Teilstroms geschaltet. Zwischen der Heizvorrichtung 9 und dem Druckspeicherbehälter 6 ist ein Druckventil 12 geschaltet, durch das der Druck im Druckspeicherbehälter einstellbar gehalten wird. Durch die separate Umwälzpumpe 13 wird dem Druckspeicherbehälter 6 eine Menge an Speisewasser entnommen, auf Druck gebracht, in einer elektrischen Heizvorrichtung 9 bis zu einem ausreichenden Abstand zur Siedetemperatur erwärmt und

schließlich über eine das Druckventil 12 bzw. eine Regelarma- tur in den Druckspeicherbehälter entspannt. Durch die Entspannung des erhitzten und unter höherem Druck stehenden Speisewassers auf den Druck des Druckspeicherbehälters 6 erfolgt eine Teilausdampfung . Nach der Umwälzpumpe 13 ist an die Speisewasserabzugsleitung 8 eine Rückführleitung 14 angeschlossen. Durch die Umwälzpumpe 13 und die Mindestmengenleitung der Umwälzpumpe 14 ist somit ein Kreislauf geschaffen, durch den eine Zirkulation des Speisewassers ermöglicht ist.

An den Druckspeicherbehälter 6 ist zur Ausleitung von Dampf eine Dampfleitung 11 angeschlossen. Die Dampfleitung 11 verbindet den Druckspeicherbehälter 6 mit einem Hilfsdampf- verbraucher 10. Zur Regelung oder Drosselung von Dampf ist in die Dampfleitung 11 ist ein Motor- oder pneumatisch betriebenes Regelventil geschaltet. Die Hilfsdampfverbraucher beziehen den benötigten Hilfsdampf somit ausschließlich aus dem Druckspeicherbehälter 6. Der Abschnitt der Kondensatleitung 3 des Wasser-Dampf- Kreislaufs 2 weist zudem eine Ausgleichsleitung 15 auf, die die den Abschnitt der Kondenstatleitung 3 zwischen der Kon- densatpumpe 4 und dem Druckspeicherbehälter 6 mit dem Abschnitt der Speisewasserabzugsleitung 8 zwischen dem Druckspeicherbehälter 6 und der Umwälzpumpe 13 verbindet. In die Ausgleichsleitung kann ein Motor- oder pneumatisch betriebenes Regelventil geschaltet sein.

FIG 2 zeigt ein Verfahren zur Hilfsdampferzeugung, wie es in einen fossil befeuerten Kraftwerksprozess oder ein Solar- kraftwerksprozess integriert sein kann. Dargestellt ist hier ein Abschnitt des Wasser-Dampf-Kreislaufs 2 für Speisewasser 24 in Form von Kondensat 23, wie es nach der Kondensation im Kraftwerksprozess anfällt.

Das Verfahren umfasst im Wesentlichen einen Speicher 22 und einen Heizprozess 26. Dem Speicher 22 wird zunächst S Konden- sat 23 aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 2 zugeführt. In dem Speicher 22 wird das Kondensat 23 bzw. Speisewasser 24 gespeichert, gemischt und entgast. Im Anschluss wird es wieder ausgeleitet und in den Wasser-Dampf-Kreislauf 2 zur Verdampfung geleitet.

Von dem ausgeleiteten Speisewasser 24 wird nun ein Teilstrom 25 abgezogen, und dem Heizprozess 26 zugeführt. In dem Heizprozess wird das Speisewasser 24 erhitzt und wieder zurück in den Speicher 22 geleitet. Zur Förderung des Teilstroms 25 zu- rück in den Speicher 22 ist ein Pumpprozess 29 vorgesehen.

Durch die Erhitzung des Speisewassers 24 im Heizprozess 26 wird in dem Speicher 22 ein Dampf 27 erzeugt, der nun aus dem Speicher 22 einem Hilfsdampfprozess zugeführt werden kann.

Durch die Bereitstellung von Dampf 27 aus dem Speicher 22 kann auf zusätzliche fossil befeuerte Hilfsdampferzeuger verzichtet werden.