KLUTZ, Hans-Joachim (Otterdriesch 13, Erftstadt, 50374, DE)
BLOCK, Ditmar (Grülshofstrasse 3, Köln, 51109, DE)
KLUTZ, Hans-Joachim (Otterdriesch 13, Erftstadt, 50374, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbinenkraftwerks mit wenigstens einem mit einem festen körnigen Brennstoff befeuerten Dampferzeuger, wobei der Brennstoff zunächst einer indirekten Trocknung in einem Trockner unterzogen und der Trockner zumindest teilweise mit Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampferzeugers beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung im Trockner in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffs zweistufig erfolgt, wobei zunächst die Temperatur des Trockners über den Dampfdruck des Heizdampfs geregelt wird und dieser Regelung nachgeschaltet eine Regelung der überhitzungstemperatur des Heizdampfs in Abhängigkeit vom Solldruck des Heizdampfes folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die überhitzungstemperatur auf einen Wert zwischen 1 bis 5 K eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung des Heizdampfs mittels wenigstens einer
Gegendruckturbine erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der überhitzungstemperatur durch eine Einspritzkühlung des Heizdampfs mit Wasser erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzkühlung des Heizdampfs vorgesehen ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzkühlung mit Wasserüberschuss zur thermodynamisch erforderlichen Wassermenge erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
überschusswasser vor Eintritt in den Wärmetauscher des Trockners abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegendruckturbine überbrückt wird, wenn das Druckgefälle an dieser zu gering ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüden des Trockners zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers verwendet wird.
10. Einrichtung zum Erzeugen von Dampf, umfassend wenigstens einen Trockner (5) zur Trocknung grubenfeuchter Braunkohle, wenigstens einen mit Braunkohle befeuerten Dampferzeuger (1) und wenigstens eine dem
Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine mit Generator, wobei der Trockner (5) wenigstens einen mit Heizdampf beaufschlagten Wärmetauscher (6) aufweist, der an den Wasser-Dampf-Kreislauf (4) des Dampferzeugers (1 ) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (6) wenigstens eine weitere Turbine (9) zur Regelung der Trocknertemperatur vorgeschaltet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Trockner (5) vorgeschaltete Turbine (9) als Gegendruckturbine ausgebildet ist, die einen Generator (14) treibt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsrichtung des Heizdampfs hinter der dem Trockner (5) vorgeschalteten Turbine (9) ein Einspritzkühler (12) zur Regelung der überhitzungstemperatur des Heizdampfs vorgesehen ist. |
Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbinenkraftwerks sowie Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbinenkraftwerks mit wenigstens einem mit einem festen körnigen Brennstoff befeuerten Dampferzeuger, wobei der Brennstoff zunächst einer indirekten Trocknung in einem Wirbelschichttrockner unterzogen wird und der Wirbelschichttrockner zumindest teilweise mit Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampferzeugers beheizt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zum Erzeugen von Dampf, umfassend wenigstens einen Trockner zur Trocknung grubenfeuchter Braunkohle, wenigstens einen mit Braunkohle befeuerten Dampferzeuger und wenigstens eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine mit Generator, wobei der Trockner wenigstens einen mit Heizdampf beaufschlagten Wärmetauscher aufweist, der an den Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampferzeugers angeschlossen ist.
Aus der DE 195 18 644 A1 sind beispielsweise ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen von Prozessdampf zum Antreiben einer Turbine bekannt. Hierzu wird Braunkohle in einem staubbefeuerten Kessel verbrannt. Bei dem Verfahren wird die zu trocknende Braunkohle kontinuierlich in einem Wirbelschichttrockner getrocknet und der Wirbelschichttrockner wird unter Anderem mit Anzapfdampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Kraftwerksanlage indirekt beheizt, um zumindest einen Teil der Feuchte als Brüden aus der Braunkohle zu entfernen. Der ausgetriebene Brüden und die getrocknete Kohle werden aus dem Trockner abgezogen. Um die Trocknung energetisch möglichst effizient ausführen zu können, wird in der
DE 195 18 644 A1 vorgeschlagen, dass wenigstens ein Teilstrom des Brüdens verdichtet und dem Wärmetauscher als Heizmedium zugeführt wird, wobei der Brüden zumindest teilweise kondensiert. Der Trockner wird weiterhin durch einen weiteren Wärmetauscher indirekt beheizt, der mit einem Teilstrom des
Prozessdampfs vor oder nach dessen zumindest teilweiser Entspannung unter zumindest teilweiser Bildung von Kondensat durchströmt wird.
Grundsätzlich ist es bekannt, wie auch bereits in der DE 195 18 644 ausgeführt wird, dass durch eine Trocknung der Braunkohle vor der Verfeuerung in dem Dampferzeuger eines Kraftwerks eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden kann. Durch die Trocknung kann der Wassergehalt, der bei grubenfeuchter Braunkohle etwa 45 bis 65 % beträgt, auf etwa 10 bis 25 % verringert werden. Dies hat unter Anderem zur Folge, dass die Verdampfung dieser Feuchte im Brennraum des Dampferzeugers nicht mehr erforderlich ist, sodass zusätzliche Emissionen und Wärmeverluste vermieden werden können.
Das Vorgesagte gilt selbstverständlich auch für andere feuchte organische Brennstoffe.
Es ist grundsätzlich aus verschiedensten Verfahren bekannt, zumindest einen Teil der für den Trocknungsprozess des Brennstoffs im Trockner verwendeten Energie unmittelbar aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Kraftwerksprozesses zu beziehen. üblicherweise erfolgt die Beheizung des Trockners durch Anzapfdampf der Hauptturbine des Kraftwerks. Dies ist beispielsweise auch in dem in der DE 103 19 477 A1 beschriebenen Verfahren so vorgesehen. Dort wird der aus der Trocknung des Brennstoffs anfallende Brüden ausschließlich zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers verwendet.
Die im Trockner einzustellende Temperatur ist normalerweise eine Funktion der Feuchtigkeit des Brennstoffs. üblicherweise werden Wirbelschichttrockner auf den maximal möglichen Wassergehalt des Brennstoffs eingestellt. In der Praxis unterliegt allerdings der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffs Schwankungen. Beispielsweise bei Einsatz von Braunkohle als Brennstoff kann der Feuchtigkeitsgehalt bzw. Wassergehalt zwischen 45 und 65 Gewichtsprozent schwanken. Solche Feuchtigkeitsschwankungen des Brennstoffs konnten bisher bei der Prozessführung nur unzureichend berücksichtigt werden. Bis jetzt wird die Temperatur im Trockner ausschließlich über eine Drosselung des Heizdampfs beeinflusst. Wird weniger Trockenleistung als veranschlagt und somit weniger
Dampfdruck benötigt, wird der Dampfdruck entsprechend gedrosselt. Die Regelung der Trocknertemperatur auf diese Art und Weise ist verhältnismäßig einfach, jedoch energetisch nicht optimal.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der vorgenannten Art in Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Temperaturregelung im Trockner in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffs zweistufig erfolgt, wobei zunächst die Temperatur des Wirbelschichttrockners über den Dampfdruck des Heizdampfs geregelt wird und dieser Regelung nachgeschaltet eine Regelung der überhitzungstemperatur des Heizdampfs in Abhängigkeit vom Solldruck des Heizdampfs vorgenommen wird.
Die erfindungsgemäße Regelung berücksichtigt in vorteilhafter Art und Weise den Wärmeübergang an den Heizflächen im Trockner. Die Heizflächen werden nur bei Kondensation des Heizdampfs effizient genutzt. Bei Kondensation des Heizdampfs wird die frei werdende Kondensationswärme genutzt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Temperatur im Trockner unter Berücksichtigung eines optimalen Wärmeübergangs an den Heizflächen konstant halten. Würde der Trockner mit einem um ca. 60 K überhitzten Dampf betrieben, würden sich die Wärmeübergangsbedingungen verschlechtern und ein Teil der Heizfläche würde nur dazu benötigt, die Dampfüberhitzung abzubauen, bevor die für die Wärmeübertragung effiziente Dampfkondensation einsetzt. In der Folge erfordert die schlechtere Wärmeübertragung entweder eine größere Wärmetauscherfläche oder einen höheren Heizdampfdruck. Durch die erfindungsgemäß miteinander verschachtelte Regelung von Druck- und
überhitzungstemperatur kann der Trockner grundsätzlich mit geringerem Druck betrieben werden, was aus Sicht der Thermodynamik und des Kraftwerksprozesses vorteilhaft ist.
Zweckmäßigerweise wird die überhitzungstemperatur auf etwa 1 bis 5 K eingestellt.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt die Druckregelung des Heizdampfs für den Trockner mittels wenigstens einer zusätzlich zur Dampfturbine des Dampferzeugungsprozesses vorgesehenen Gegendruckturbine. Dies hat den Vorzug, dass die unterschiedlichen Heizdampfdrücke bei Volllast und Teillast des Trockners in kinetische Energie umgesetzt werden können. Das Druckgefälle zwischen dem Anzapfdruck an der Hauptturbine des Kraftwerks und dem tatsächlich am Trockner erforderlichen Druck wird dann vorteilhafterweise zur Stromerzeugung genutzt.
Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung der überhitzungstemperatur durch eine Einspritzkühlung mit Wasser.
Zweckmäßigerweise wird die Einspritzkühlung des Heizdampfs hinter der Gegendruckturbine vorgenommen.
Die Einspritzkühlung kann mit Wasserüberschuss zur thermodynamisch erforderlichen Wassermenge erfolgen, beispielweise mit dem 1- bis 7-fachen der thermodynamisch erforderlichen Wassermenge, um eine niedrige überhitzung von 1-5 K zu erreichen. Um den Wärmeübergang im Trockner nicht negativ zu beeinträchtigen, wird das überschusswasser vor Eintritt in den Wärmetauscher des Wirbelschichttrockners abgeschieden.
Zweckmäßigerweise wird die Gegendruckturbine überbrückt, wenn das Druckgefälle an dieser zu gering ist. Eine solche überbrückung ist auch bei Ausfall der Gegendruckturbine zweckmäßig.
Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist vorgesehen, den im Wirbelschichttrockner anfallenden Brüden zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers zu verwenden.
Die Einrichtung zum Erzeugen von Dampf nach der Erfindung, umfassend wenigstens einen Trockner zur Trocknung grubenfeuchter Braunkohle, wenigstens einen mit Braunkohle befeuerten Dampferzeuger und wenigstens eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine mit Generator, wobei der Trockner wenigstens einen mit Heizdampf beaufschlagten Wärmetauscher aufweist, der an dem Wasser-Dampf-Kreislauf des Kraftwerks angeschlossen ist, zeichnet sich dadurch aus, dass dem Wärmetauscher wenigstens eine weitere Turbine zur Regelung der Trocknertemperatur vorgeschaltet ist.
Die dem Trockner vorgeschaltete Turbine ist zweckmäßigerweise als Gegendruckturbine ausgebildet, die einen Generator treibt.
Bei mehreren parallel geschalteten Trocknersträngen können mehrere Gegendruckturbinen auf einer Welle angeordnet sein und einen gemeinsamen Generator antreiben, wodurch die mechanischen Verluste und die Investitionskosten minimiert werden.
Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung des Heizdampfs hinter der dem Trockner vorgeschalteten Turbine eine Einspritzkühlung zur Regelung der überhitzungstemperatur des Dampfs vorgesehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in dem beiliegenden Fließbild dargestellten Dampferzeugungsprozesses veranschaulicht.
Der in der Zeichnung dargestellte Kraftwerksprozess umfasst einen
Dampferzeuger 1 , eine erste Turbine 2 und einen ersten Generator 3, die die Hauptkomponenten in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 4 darstellen.
Der Dampferzeuger 1 ist beispielsweise als staubbefeuerter Kessel ausgebildet, in dem Braunkohle als Brennstoff verfeuert wird. Die Braunkohle wird in dem mit 5 bezeichneten Trockner vorgetrocknet. Der Trockner 5 ist in bekannter Art und Weise als Wirbelschichttrockner ausgebildet, in diesem wird die fluidisierte Kohle indirekt über Wärmetauscher 6 beheizt. Die beispielsweise einen Feuchtigkeitsgehalt oder Wassergehalt von 60 Gewichtsprozent aufweisende
Braunkohle wird in dem Trockner bei einer Temperatur von etwa 110 0 C auf eine Restfeuchtigkeit von 12 Gewichtsprozent getrocknet, bevor sie einer Verbrennung in dem Dampferzeuger 1 zugeführt wird. Die hierzu benötigte Energie wird hauptsächlich in Form von Anzapfdampf aus der ersten Turbine 2 des Kraftwerks in den Trockner 5 eingekoppelt. Der etwa mit 6 bar zur Verfügung stehende Heizdampf aus dem Niederdruckteil der ersten Turbine 2 durchströmt, wie nachstehend noch zu beschreiben, einen Wärmetauscher 6 des Trockners 5. Hierdurch wird die in dem Trockner 5 fluidisierte, d. h. im Wirbelbett befindliche Kohle indirekt beheizt. Der aus dem Trockner 5 abgezogene Brüden wird in einem Elektrofilter 7 entstaubt und anschließend in dem Brüdenkondensator 8 wieder kondensiert. Ein Teil des aus dem Trockner 5 abgezogenen Brüdens kann zur indirekten Beheizung des Trockners 5 in einem weiteren Wärmetauscher verwendet werden. (Diese Variante ist in der Zeichnung nicht dargestellt.) Ebenso kann ein Teilstrom des Brüdens zur Fluidisierung der Kohle im Trockner verwendet werden. Die in dem Brüdenkondensator 8 anfallende Kondensationswärme kann beispielsweise zur Vorheizung des Kesselspeisewassers verwendet werden.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, fällt der Anzapfdampf aus der ersten Turbine 2 mit einem Druck von etwa 6 bar an und ist verhältnismäßig stark überhitzt. Dieser hat beispielsweise noch eine Temperatur von etwa 280 0 C.
Erfindungsgemäß wird die im Trockner 5 einzustellende Temperatur von beispielsweise 110 0 C über den Druck des Heizdampfs mittels einer zweiten Turbine 9 geregelt, die als Gegendruckturbine ausgebildet ist. Die Temperatur im Trockner 5 wird durch eine Kaskadenregelung aus Druck- und Temperaturregelung konstant gehalten. Hierzu wird der Turbinendruck der zweiten Turbine 9 über die Temperatur- und Druckregeleinrichtung 10 geregelt, dabei ist die Führungsgröße für die Regelung des Turbinendrucks die Temperatur im Trockner. Dies erfolgt über eine Verstellung der Leitschaufeln der Turbine 9. Die Trocknertemperatur von beispielsweise 110 0 C ist eine Funktion des gewünschten Wassergehalts. Dies ergibt sich im vorliegenden Fall beispielsweise aus dem Feuchtigkeitsgehalt der getrockneten Braunkohle von etwa 12 Gewichtsprozent.
Der hinter der zweiten Turbine 9 anfallende Heizdampf ist beispielsweise mit einer Temperatur von ca. 60 K überhitzt, was bei bei einem erforderlichen Heizdampfdruck von z.B. 3,5 bar (Kondensationstemperatur = 130 0 C) zu viel ist, um eine sofortige Kondensation im Trockner zu bewirken, die für einen optimalen Wärmeübergang und für die Nutzung der Kondensationswärme erforderlich ist. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß neben der Temperatur- und Druckregeleinrichtung 10 eine weitere Temperaturregeleinrichtung 11 zur Regelung der überhitzungstemperatur des Heizdampfs vorgesehen.
Die Temperaturregeleinrichtung 11 ist mit einem Einspritzkühler 12 gekoppelt, über den die überhitzungstemperatur durch Einspritzung von Kaltwasser in den Heizdampf steuerbar ist. Die Temperaturregeleinrichtung 11 regelt die überhitzungstemperatur des Heizdampfs in Abhängigkeit vom Heizdampfdruck im Wärmetauscher des Trockners. Ziel der Regelung ist es, den Dampf hinter der zweiten Turbine 9 auf eine überhitzungstemperatur von nur 1 bis 5 K zu kühlen. Hierzu wird in den Einspritzkühler 12 Einspritzwasser mit einem überschuss des etwa 1 bis 7-fachen der thermodynamisch notwendigen Menge eingespritzt. Das überschusswasser wird in einem nachgeschalteten Wasserabscheider 13 abgezogen.
Die zweite Turbine 9 und bei mehreren Trocknersträngen die weiteren Turbinen 9b, c, d... treiben einen gemeinsamen zweiten Generator 14, dessen elektrische Energie ebenso wie die elektrische Energie des ersten Generators 3 in das Netz eingespeist wird. Auf diese Art und Weise lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkprozesses um 0,2 bis 0,4 Prozentpunkte steigern, was beachtlich ist.
Bezugszeichenliste
1 Dampferzeuger
2 erste Turbine
3 erster Generator
4 Wasser-Dampf-Kreislauf
5 Trockner
6 Wärmetauscher
7 Elektrofilter
8 Brüdenkondensator
9 zweite Turbine
10 Temperatur- und Druckregeleinrichtung
11 Temperaturregeleinrichtung
12 Einspritzkühler
13 Wasserabscheider
14 Generator