Dampf-/Wärmekraftwerk und Verfahren zum Betreiben des Dampf- /Wärmekraftwerks

Ein Dampf-/Heizkraftwerk dient sowohl der Erzeugung von Strom als auch von Wärme in einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess . Zur Abgabe der Wärme wird Dampf aus dem Dampf-/Heizkraftwerk ent- nommen und beispielsweise in ein Fernwärmenetz eingespeist oder als ein Prozessgas für einen Produktionsprozess einge ^¬ setzt. Über die entnommene Menge an Dampf kann das Verhältnis aus erzeugtem Strom und abgegebener Wärme geregelt werden. Das Dampf-/Heizkraftwerk weist zur Erzeugung von mechanischer Energie mindestens eine Dampfturbine und einen Kondensator auf, der den Dampf stromab der mindestens einen Dampfturbine kondensiert. Der Kondensator muss dabei derart ausgelegt sein, dass er bei Betriebszuständen des Dampf-/Heizkraft- werks, bei dem kein Dampf entnommen wird und eine maximale Menge an Strom erzeugt wird, eine große Menge an Dampf kon ^¬ densieren kann. Bei Betriebszuständen, bei denen eine große Menge an Wärme abgegeben wird und der Kondensator nur eine geringe Menge an Dampf kondensiert, sinkt jedoch der Wir- kungsgrad des Dampf-/Heizkraftwerks, weil bei dem Kondensator eine große Menge an Hilfsenergie ungenutzt eingesetzt wird, beispielsweise durch Betreiben der Kühlwasserpumpen.

US 3 820 336 beschreibt ein Dampfkraftwerk. US 2011/0203279 AI beschreibt eine Vorrichtung zum Verbessern der Wärmeproduktion durch Kogeneration .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dampf-/Heizkraftwerk und ein Verfahren zum Betreiben des Dampf-/Heizkraftwerks zu schaffen, wobei das Dampf-/Heizkraftwerk einen hohen Wirkungsgrad hat. Das erfindungsgemäße Dampf-/Wärmekraftwerk weist einen einen Kondensator aufweisenden Flüssigkeits-/Dampfkreislauf auf, aus dem stromauf des Kondensators für eine variable Wärmeab ^¬ gabe aus dem Dampf-/Wärmekraftwerk ein variabler Dampfmassen- ström entnehmbar ist, wobei der Kondensator einen Hauptkondensator und einen Hilfskondensator aufweist, die derart eingerichtet sind, dass bei einem Unterschreiten eines Schwel ^¬ lenwerts des in den Kondensator eintretenden Dampfmassenstroms lediglich der Hilfskondensator betreibbar ist. Durch das Aufteilen des Kondensators in den Hauptkondensator und in den Hilfskondensator verbraucht der Kondensator bei Betriebs- zuständen unterhalb des Schwellenwerts, bei dem das Dampf- /Heizkraftwerk eine große Menge an Wärme abgibt, nur eine ge ^¬ ringe Menge an Hilfsenergie, wodurch das Dampf-/Wärmekraft- werk einen hohen Wirkungsgrad hat.

Bevorzugt sind oberhalb des Schwellenwerts der Hauptkondensa ^¬ tor und der Hilfskondensator gleichzeitig betreibbar. Dadurch wirkt der Hilfskondensator auch bei Betriebszuständen mit ei- ner großen Menge an erzeugtem Strom mit beim Kondensieren des Dampfes. Dadurch muss vorteilhaft trotz des Vorsehens von Hauptkondensator und Hilfskondensator nicht mehr Kühlfläche vorgesehen werden, als dies der Fall wäre, wenn nur ein

Hauptkondensator vorgesehen werden würde. Der Hauptkondensa- tor und der Hilfskondensator sind bevorzugt getrennt voneinander betreibbar, indem der Hauptkondensator einen Hauptkühl- fluidkreislauf und der Hilfskondensator einen Hilfskühlfluid ^¬ kreislauf aufweist, wobei der Hauptkühlfluidkreislauf und der Hilfskühlfluidkreislauf unabhängig voneinander betreibbar sind. Dadurch kann unterhalb des Schwellenwerts lediglich der Hilfskühlfluidkreislauf von einem Kühlfluid durchströmt wer ^¬ den, wodurch nur eine geringe Pumpenleistung aufgebracht werden muss.

Der Hauptkondensator und der Hilfskondensator sind bevorzugt in einem einzigen Mantelgehäuse angeordnet. Es ist bevorzugt, dass der Kondensator einen einzigen Kondensatsammler aufweist, der die in dem Hauptkondensator und/oder Hilfskonden- sator gebildete Flüssigkeit auffängt. Durch die beiden Maß ^¬ nahmen ist der Aufbau aus Hauptkondensator und Hilfskondensa ^¬ tor vorteilhaft einfach und platzsparend. Der Flüssigkeits-/Dampfkreislauf weist bevorzugt Dampfturbi ^¬ nen mit verschiedenen Druckniveaus auf, der variable Dampf ^¬ massenstrom ist bevorzugt stromauf der Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe entnehmbar und der Hilfskondensator ist bevorzugt derart eingerichtet, dass mit ihm der entnom- mene Dampfmassenstrom kondensierbar ist. Es ist bevorzugt, dass der Hilfskondensator derart eingerichtet ist, dass mit ihm ein maximaler entnommener Dampfmassenstrom kondensierbar ist, bei dem die Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe von keinem Massenstrom durchströmt wird. Dadurch kann vor- teilhaft in einem Notfall der entnommene Dampfmassenstrom ohne eine zeitliche Verzögerung via den Kondensator in den Flüssigkeits-/Dampfkreislauf zurückgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungs- gemäßen Dampf-/Wärmekraftwerks weist die Schritte auf: - kein Entnehmen eines Dampfmassenstroms aus dem Flüssigkeits- /Dampfkreislauf für den Fall, dass das Dampf-/Wärmekraftwerk keine Wärme abgeben soll, und Betrieb des Hauptkondensators und des Hilfskondensators; - Entnehmen eines Dampfmassen- Stroms aus dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf für den Fall, dass das Dampf-/Wärmekraftwerk Wärme abgeben soll, und Betrieb lediglich des Hilfskondensators bei Unterschreiten des Schwellenwerts des in den Kondensator eintretenden Dampfmassenstroms. Weil unterhalb des Schwellenwerts lediglich der Hilfskondensator betrieben wird, hat das Dampf-/Wärmekraft ^¬ werk vorteilhaft einen hohen Wirkungsgrad.

Bevorzugt weist das Verfahren den Schritt auf: - gleichzeiti ^¬ ges Betreiben des Hauptkondensators und des Hilfskondensa- tors, wenn der Massenstrom des in den Hilfskondensator eintretenden Dampfs oberhalb des Schwellenwerts ist. Dadurch ist vorteilhaft sichergestellt, dass der gesamte in den Kondensa ^¬ tor eintretende Dampfmassenstrom effizient kondensiert wird. Es ist bevorzugt, dass der Flüssigkeits-/Dampfkreislauf

Dampfturbinen mit verschiedenen Druckniveaus aufweist, der variable Dampfmassenstrom stromauf der Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe entnommen wird und bei einem maximalen entnommen Massenstrom die Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe von keinem Massenstrom durchströmt wird sowie bei dem maximalen entnommenen Massenstrom lediglich der Hilfskondensator betrieben wird. Wenn die Dampfturbine mit der nied- rigsten Druckstufe nicht durchströmt wird, wird sie von den anderen Dampfturbinen entkoppelt, beispielsweise indem eine Kupplung zwischen der Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe und den anderen Dampfturbinen ausgerückt wird. Durch das Entkoppeln ist es vorteilhaft nicht erforderlich, die Dampfturbine mit der niedrigsten Druckstufe zu durchströmen, um dadurch beispielsweise eine Ventilation zu unterbinden. In diesem Betriebszustand mit dem maximalen entnommenen Massenstrom wird lediglich der Hilfskondensator betrieben, wodurch das Dampf-/Wärmekraftwerk einen hohen Wirkungsgrad hat.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Schaltskizze eines Dampf-/Wärmekraftwerks und

Figur 2 einen Schnitt durch einen Kondensator des Dampf- /Wärmekraftwerks .

Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, weist ein Dampf-/Wärme- kraftwerk 32 einen Flüssigkeits-/Dampfkreislauf mit einer HD- Dampfturbine 4 (Hochdruckdampfturbine) , einer MD-Dampfturbine 5 (Mitteldruckdampfturbine) und einer ND-Dampfturbine 6 (Nie ^¬ derdruckdampfturbine) , einem Kondensator 1, einem Kessel und einer Pumpe (der Kessel und die Pumpe sind nicht in Figur 1 dargestellt) auf. Die HD-Dampfturbine 4 und die MD-Dampf ^¬ turbine 5 sind auf einer gemeinsamen HD/MD-Welle 7 und die ND-Dampfturbine 6 ist auf einer ND-Welle 8 angeordnet. Die HD/MD-Welle 7 und die ND-Welle 8 sind durch Einrücken einer Kupplung 9 kuppelbar und durch Ausrücken der Kupplung 9 entkuppelbar .

Die HD-Dampfturbine 4 und die MD-Dampfturbine 5 werden aus dem Kessel via eine Frischdampfleitung 11 mit Frischdampf gespeist. Der Abdampf aus der MD-Dampfturbine 5 strömt entweder via eine ND-Zuleitung 12 in die ND-Dampfturbine 6 oder der Abdampf wird dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf via eine Heiz ^¬ kondensatorzuleitung 14 entnommen. Über das Verhältnis des Dampfmassenstroms in der ND-Zuleitung 12 zu dem Dampfmassenstrom in der Heizkondensatorzuleitung 14 kann das Verhältnis von erzeugtem Strom zu abgegebener Wärme des Dampf-/Wärmekraftwerks eingestellt werden. Für den Fall, dass der gesamte Abdampf der MD-Dampfturbine 5 aus dem Flüssigkeits-/Dampf- kreislauf entnommen wird, wird die ND-Welle 8 von der HD/MD- Welle 7 durch Ausrücken der Kupplung 9 entkoppelt. Alternativ ist es möglich, dass eine Mehrwellenanlage vorgesehen wird, in der die ND-Dampfturbine 6 und die HD/MD-Dampfturbinen 4, 5 ständig auf verschiedenen, entkoppelten Wellen angeordnet sind und jeweils einen separaten Generator antreiben.

Der Abdampf aus der ND-Dampfturbine 6 wird via eine ND-Ab- dampfleitung 13 dem Kondensator 1 zugeführt, wo der Abdampf in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Die Flüssigkeit wird anschließend mittels der Pumpe wieder dem Kessel zugeführt.

Der dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf via die Heizkondensator ^¬ zuleitung 14 entnommene Dampfmassenstrom wird einem Heizkondensator 10 zugeführt, in dem der Dampf kondensiert wird und Wärme an einen Wärmekreislauf 17 abgegeben wird. Die in dem Heizkondensator 10 gebildete Flüssigkeit wird via eine Heiz ^¬ kondensatorableitung 15 dem Kessel zugeführt. Das Dampf- /Wärmekraftwerk weist eine Notdampfleitung 16, via die in einem Störfall der dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf entnommene Dampfmassenstrom dem Kondensator 1 zuführbar ist. Der Stör- fall kann beispielsweise durch einen Ausfall des Heizkon ^¬ densators 10 verursacht sein. Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Kondensator 1 einen Hauptkondensator 2 und einen Hilfskondensator 3 auf, wobei der Hauptkondensator 2 und der Hilfskondensator 3 in einem gemeinsamen Mantelgehäuse 18 untergebracht sind. Das Mantelgehäuse 18 begrenzt in seinem Inneren einen Dampfraum 19. Der aus der ND-Abdampfleitung 13 oder Notdampfleitung 16 kommende Dampf tritt beispielsweise von oben in den Dampfraum 19 ein. Der Dampf wird in dem Hauptkondensator 2 und/oder dem Hilfskondensator 3 in eine Flüssigkeit umgewandelt und die Flüssigkeit fällt in einem an dem Boden des Kondensators 1 angeordneten Kondensatsammler 20. Von dem Kondensatsammler wird die Flüssigkeit via einen Kondensataustritt 21 von dem Kondensator 1 weggeströmt und via die Pumpe dem Kessel zuge ^¬ führt .

Der Hauptkondensator 2 weist ein im Inneren des Mantelgehäuses 18 verlaufendes Rohrbündel 26 und der Hilfskondensator 3 weist ein im Inneren des Mantelgehäuses 18 verlaufendes Rohr ^¬ bündel 31 auf, wobei die Rohrbündel 26, 31 von einem Kühl- fluid, insbesondere Wasser, durchströmbar sind. Der Hauptkondensator 2 weist einen Hauptkühlfluidkreislauf 22 mit dem Rohrbündel 26 auf, wobei der Hauptkühlfluidkreislauf 22 bei ^¬ spielsweise einen Eintritt 28 in das Rohrbündel 26, eine Um ^¬ kehrkammer 25 und einen Austritt 24 aufweist. Der Hilfskon- densator 3 weist einen Hilfskühlfluidkreislauf 27 mit dem

Rohrbündel 31 auf, wobei der Hilfskühlfluidkreislauf 27 bei ^¬ spielsweise einen Eintritt 27 in das Rohrbündel 31, eine Um ^¬ kehrkammer 30 und einen Austritt 29 aufweist. Der Hauptkühl- fluidkreislauf 22 und der Hilfskühlwasserkreislauf 27 sind voneinander getrennt von dem Kühlfluid durchströmbar und damit unabhängig voneinander betreibbar.

In dem Fall der maximalen Menge an erzeugter Strom, also wenn kein Dampfmassenstrom dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf via die Heizkondensatorzuleitung entnommen wird, werden sowohl der Hauptkondensator 2 als auch der Hilfskondensator 3 betrieben. Dies bedeutet, dass sowohl der Hauptkühlfluidkreis ^¬ lauf 22 als auch der Hilfskühlfluidkreislauf 27 von dem Kühl- fluid durchströmt werden. Wird nun die Menge an erzeugtem Strom verringert und gleichzeitig die Menge an via die Heiz ^¬ kondensatorzuleitung 14 abgegebener Wärme erhöht, reduziert sich der in den Kondensator 1 eintretende Dampfmassenstrom. Unterschreitet der in den Kondensator 1 eintretende Dampfmas ^¬ senstrom einen Schwellenwert, wird lediglich der Hilfskondensator 3 betrieben, was bedeutet, dass nur noch der Hilfskühl- fluidkreislauf 27 von dem Kühlfluid durchströmt wird. Der Hilfskondensator 3 ist derart ausgelegt, dass er in einem Störfall den gesamten via die Heizkondensatorzuleitung 14 entnommenen und via die Notdampfleitung 16 in den Kondensator 1 eingeleiteten Dampfmassenstrom kondensieren kann. Der

Hilfskondensator 3 ist dazu auch dann in der Lage, wenn ein maximaler Dampfmassenstrom dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf entnommen wird, also in dem Fall, in dem die Dampfturbine 6 mit der niedrigsten Druckstufe nicht durchströmt wird. Dazu ist der Hilfskondensator 3 für höhere Dampfdrücke als der Hauptkondensator 2 ausgelegt.

Es ist denkbar, dass der Hauptkondensator 2 mit einer Edel- stahlberohrung und kontinuierlich betriebener Rohrreinigungsanlage ausgeführt ist und der Hilfskondensator durch die Wahl eines korrosionsbeständigen Werkstoffs, insbesondere Titan, ohne Rohrreinigungsanlage betrieben wird.

Anhand eines Beispiels wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Das beispielhafte Verfahren zum Betreiben eines Dampf-/Wärme ^¬ kraftwerks 32 mit einem einen Kondensator 1 aufweisenden Flüssigkeits-/Dampfkreislauf, aus dem stromauf des Kondensa ^¬ tors 1 für eine variable Wärmeabgabe aus dem Dampf-/Wärme ^¬ kraftwerk ein variabler Dampfmassenstrom entnehmbar ist, wo- bei der Kondensator 1 einen Hauptkondensator 2 und einen

Hilfskondensator 3 aufweist, weist die Schritte auf: - kein Entnehmen eines Dampfmassenstroms aus dem Flüssigkeits- /Dampfkreislauf für den Fall, dass das Dampf-/Wärmekraftwerk 32 keine Wärme abgeben soll, und Betrieb des Hauptkondensa ^¬ tors 2 und des Hilfskondensators 3; - Entnehmen eines Dampf ^¬ massenstroms aus dem Flüssigkeits-/Dampfkreislauf für den Fall, dass das Dampf-/Wärmekraftwerk 32 Wärme abgeben soll, und Betrieb lediglich des Hilfskondensators 3 bei Unter ^¬ schreiten des Schwellenwerts des in den Kondensator 1 eintre ^¬ tenden Dampfmassenstroms ; - Gleichzeitiges Betreiben des Hauptkondensators 2 und des Hilfskondensators 3, wenn der Massenstrom des in den Hilfskondensator 3 eintretenden Dampfs oberhalb des Schwellenwerts ist.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das offenbarte Beispiel einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .