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Title:
STEAM POWER PLANT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/021935
Kind Code:
A1
Abstract:
An inventive steam power plant (1) comprises at least one steam turbine (2) and a steam generator (5), whereby a combustion chamber (19), in the direction (9) of the flow of steam (17), is mounted after a first turbine stage (11) and before a second turbine stage (13) of the steam turbine (3), and the flow of steam (9) inside a combustion chamber (19) can be heated by mixing it with a hot gas that can be produced inside said combustion chamber (19).

Inventors:
Haberberger, Georg (Bussardstrasse 46, Bubenreuth, 91088, DE)
Kail, Christoph (Franziskanerstr. 12, Dortmund, 44143, DE)
Application Number:
PCT/EP2004/008348
Publication Date:
March 10, 2005
Filing Date:
July 26, 2004
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
Haberberger, Georg (Bussardstrasse 46, Bubenreuth, 91088, DE)
Kail, Christoph (Franziskanerstr. 12, Dortmund, 44143, DE)
International Classes:
F01K7/16; F01K21/04; F01K25/00; (IPC1-7): F01K21/04; F01K7/16
Domestic Patent References:
WO2003069132A12003-08-21
Foreign References:
US5956937A1999-09-28
US20030153216A12003-08-14
DE19936704A12001-02-08
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Dampfkraftwerk (1), umfassend mindestens eine Dampfturbine (3) und einen befeuerten Dampferzeuger (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkammer (7) in Richtung (9) des Dampfstroms (17) nach einer ersten Turbinenstufe (11) und vor einer zweiten Turbinenstufe (13) der Dampfturbine (3) angeordnet ist und der Dampfstrom (17) in der Brennkammer (19) mittels Vermi schung mit einem in der Brennkammer (19) erzeugbaren Heiß gas beheizbar ist.
2. Dampfkraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuerungseinrichtung (7) Wasserstoff und/oder ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, als Brennstoff (33) zuführbar ist.
3. Dampfkraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuerungseinrichtung (7) zur Erzeugung einer Verbrennungsatmosphäre in der Brennkammer (19) ein sauer stoffhaltiges Gas, insbesondere reiner Sauerstoff (31) und/oder Luft, zuführbar ist.
4. Dampfkraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass anfallende Verbrennungsprodukte (39) dem Dampfstrom (9) mittels eines der Dampfturbine (3) nachgeschalteten Kon densators (25) entnehmbar sind.
Description:
Beschreibung Dampfkraftwerk Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk mit mindestens ei- ner Dampfturbine und einem befeuerten Dampferzeuger.

Bei bekannten Dampfkraftwerken wird Betriebsdampf für eine Dampfturbine meist in einem befeuerten Dampferzeuger erzeugt, wobei die in einem Heißgas enthaltene Energie an einen oder mehrere Wärmetauscher abgegeben wird, welche mit Wasser be- speist sind, so dass durch Aufheizung dieses Wassers Be- triebsdampf erzeugbar ist, oder welche mit Dampf bespeist sind, so dass mittels eines letztgenannten Wärmetauschers eine Uberhitzung des Dampfes erzielbar ist ; eine derartige Überhitzung findet bei bekannten Dampfturbinen beispielsweise zwischen einer Hochdruckstufe und einer Mitteldruckstufe der Dampfturbine statt, wobei der die Hochdruckstufe verlassende Dampf mittels einer im Dampferzeuger angeordneten Zwischen- überhitzerheizfläche überhitzt und der Mitteldruckstufe zuge- führt wird.

Derartige Zwischenüberhitzungen des Dampfes tragen beispiels- weise zu einem höheren Wirkungsgrad der Dampfturbine bei.

Bei bekannten Dampfkraftwerken erfolgt die Zufuhr von Wärme- energie zur Erzeugung und/oder Zwischenüberhitzung von Dampf mittels Wärmetauscherflächen, welche im befeuerten Dampfer- zeuger, beispielsweise einem kohle-oder öl-oder biomassebe- feuerten oder allgemein fossil oder nuklear befeuerten Dampf- kessel angeordnet sind und mit einem im Dampferzeuger geführ- ten Heißgas in Berührung kommen. Die erhitzten Wärmetauscher- flächen geben wiederum ihre Wärmeenergie an Wasser und/oder Dampf ab, welche innerhalb des von einer Wärmetauscherfläche gebildeten Körpers geführt sind. Die Erhitzung erfolgt also mittels einer Wärmeübertragung vom Heißgas an die Wärmetau-

scherfläche und von der Wärmetauscherfläche an das aufzuhei- zende Medium.

Da bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetau- schern, welche in Dampferzeugern bekannter Dampfkraftanlagen eingesetzt sind, die Energie eines Heißgases an das aufzuhei- zende Medium mittels eines durch das Heißgas aufgeheizten Werkstoffs der Wärmetauscherfläche übertragen wird, ist die Menge an Energie, welche an das aufzuheizende Medium, bei- spielsweise Wasser und/oder Dampf übertragen werden kann, be- grenzt durch die Werkstoffeigenschaften der Wärmetauscherflä- che.

Daher sind bei bekannten Dampfkraftanlagen die zulässigen Dampftemperaturen begrenzt, da die die Wärmeenergie übertra- gende Wärmetauscherfläche aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaf- ten und damit im Zusammenhang stehenden thermischen Belas- tungsgrenzen nicht beliebig hoch aufheizbar ist.

Des Weiteren ist die Wärmeübertragung von Heißgas an das auf- zuheizende Medium mit einer Verzögerung behaftet, verursacht im Wesentlichen durch die benötigte Aufheizzeit der Wärmetau- scherfläche.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dampf- kraftwerk mit mindestens einer Dampfturbine und einem Dampf- erzeuger anzugeben, welches flexibel einsetzbar ist und ins- besondere genannte Nachteile aus dem Stand der Technik über- windet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dampfkraft- werk, umfassend mindestens eine Dampfturbine und einen befeu- erten Dampferzeuger, bei welchem eine Brennkammer in Richtung des Dampfstroms nach einer ersten Turbinenstufe und vor einer zweiten Turbinenstufe der Dampfturbine angeordnet ist und der Dampfstrom in der Brennkammer mittels Vermischung mit einem in der Brennkammer erzeugbaren Heißgas beheizbar ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Wärmeübertragung von einem Heißgas an ein aufzuheizendes Me- dium im Vergleich zum Stand der Technik weniger beschränkt ist, wenn die Energieübertragung auf das aufzuheizende Medium auf die Verwendung einer Wärmetauscherfläche verzichtet.

Dies wird bei der Erfindung dadurch erreicht, dass der aufzu- heizende Dampfstrom unmittelbar in eine Brennkammer eingelei- tet wird und sich dort direkt mit dem Heißgas vermischt.

Diese erfindungsgemäße interne Zusatzfeuerung kann in Dampf- stromrichtung nach dem Dampferzeuger und vor der Dampftur- bine, also bereits zur Uberhitzung von Frischdampf, oder auch zur Überhitzung von Dampf verwendet werden, welcher bereits einen Teil seiner Energie in einer Turbinenstufe abgegeben und nach einer erfindungsgemäßen Überhitzung einer weiteren Turbinenstufe zugeführt wird.

Mittels eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks sind im Ver- gleich zum Stand der Technik höhere Dampftemperaturen erziel- bar, welche zu einem höheren Wirkungsgrad des Dampfkraftwerks beitragen können.

Wird bei einem erfindungsgemäßen Dampfkraftwerk die mittels der Brennkammer realisierte Zusatzfeuerung abgeschaltet oder fällt diese aus, so kann das Dampfkraftwerk weiterbetrieben werden wie ein bekanntes Dampfkraftwerk.

Vorteilhaft ist der Brennkammer Wasserstoff und/oder ein Koh- lenwasserstoff, insbesondere Methan, als Brennstoff zuführ- bar.

Insbesondere umfasst der Brennstoff Kohlenstoff und/oder Was- serstoff.

Die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff bietet vor al- lem den Vorteil, dass-falls der Wasserstoff wie vielfach üblich durch Reformierung oder Vergasung aus einem Kohlenwas- serstoff hergestellt ist-anfallendes Kohlendioxid bereits während der Herstellung des Wasserstoffs bei der Reformierung oder Vergasung eines Kohlenwasserstoffs mit vergleichsweise geringem Energieaufwand zurückgehalten werden kann und so die Bildung eines sauren Dampfgemisches innerhalb der Dampftur- bine und/oder anderen Komponenten des Dampfkraftwerks von vornherein vermieden ist.

Um eine besonders gute Befeuerung der Brennkammer zu errei- chen, ist der Befeuerungseinrichtung vorteilhaft ein sauer- stoffhaltiges Gas, insbesondere reiner Sauerstoff und/oder Luft zur Erzeugung einer Verbrennungsatmosphäre zuführbar.

Diese Ausführungsform der Erfindung trägt dem Erfordernis Rechnung, dass eine Verbrennung eines Brennstoffs nur in ei- ner geeigneten Verbrennungsatmosphäre möglich ist. Eine be- sonders effiziente Verbrennung ist mittels der Zuführung rei- nen Sauerstoffs möglich, da dieser im Vergleich zu Luft keine weiteren, für die Verbrennung eher hinderlichen Bestandteile enthält, die u. U. vor der Verbrennung beispielsweise in einer Luftzerlegungseinrichtung abgetrennt werden müssten, um eine geeignete Verbrennungsatmosphäre zu schaffen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind anfallende Verbrennungsprodukte dem Dampfstrom mittels eines der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensators entnehm- bar.

Bei praktisch allen Verbrennungsprozessen entstehen Verbren- nungsprodukte, welche meist abzuführen sind, da sie sich, insbesondere nach einer längeren Betriebszeit, in der Brenn- kammer oder sonstigen Komponenten ablagern können und deren Funktion einschränken.

Wird bei einem erfindungsgemäßen Dampfkraftwerk beispiels- weise Kohlenwasserstoff als Brennstoff in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff verbrannt, so entstehen zumindest die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlendioxid. Diese Verbren- nungsprodukte werden vom Dampfstrom mitgeführt und dem Kon- densator zugeleitet. Bei bekannten Dampfkraftwerken ist ein Kondensator meist ohnehin vorhanden, so dass im Zusammenhang mit der Erfindung nicht unbedingt ein zur Entnahme der Verbrennungsprodukte geeigneter, separater Kondensator vorge- sehen werden muss.

Bei der Abkühlung des Dampfes, welcher die Verbrennungspro- dukte als Wasser-Kohlendioxid-Gemisch enthält, kondensiert der Wasseranteil weitgehend und es bleibt nahezu reines, gas- förmiges Kohlendioxid übrig, welches dem Kondensator entnom- men und beispielsweise gelagert werden kann.

Wie bereits erwähnt, kann bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff, welcher mittels einer Reformierung oder Ver- gasung eines Kohlenwasserstoffs hergestellt ist, anfallendes Kohlendioxid bereits vor der Einleitung des Brennstoffs in die Brennkammer entnommen werden, so dass in diesem Fall bei der Verbrennung praktisch kein Kohlendioxid als Verbrennungs- produkt entsteht.

Die mittels der Brennkammer eines erfindungsgemäßen Dampf- kraftwerks realisierte interne Zusatzfeuerung kann während des Betriebs der Dampfturbine sehr schnell zur Verfügung ge- stellt werden. Dazu ist lediglich das Entzünden von in die Brennkammer eingeleiteten Brennstoff nötig ; es entfallen ins- besondere die Aufheizzeiten von bekannten Wärmetauscherflä- chen.

Des Weiteren bietet ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk den Vorteil, dass Verbrennungsprodukte und/oder Abgas nicht unbe- dingt aus der Brennkammer mittels einer separaten Aus- tragseinrichtung abgeführt werden müssen, da sie vom Dampf-

strom mitgeführt und an anderer Stelle des Dampfkreislaufs, beispielsweise dem genannten Kondensator, ausgekoppelt werden können. Außerdem ist durch die Erfindung eine höhere Dampf- temperatur erzielbar, ohne die Auslegung des Dampferzeugers ändern zu müssen.

Ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk kann insbesondere auch zur Bereitstellung von Energie in Spitzenlastzeiten oder zur Stützung der Netzfrequenz eines elektrischen Energieversor- gungsnetzes eingesetzt werden ; ein erfindungsgemäßes Dampf- kraftwerk bietet die Möglichkeit einer schnellen Leistungsre- gelung und ist sehr flexibel einsetzbar.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.

Es zeigt : FIG ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk.

In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk 1 dar- gestellt, welches eine mit einem Generator 21 gekoppelte Dampfturbine 3, sowie einen befeuerten Dampferzeuger 5 um- fasst.

Die Dampfturbine 3 ist dreistufig aufgebaut und weist eine erste Turbinenstufe 11, eine zweite Turbinenstufe 13 und eine dritte Turbinenstufe 15 auf, welche als Hochdruckstufe, Mit- teldruckstufe bzw. Niederdruckstufe ausgebildet sind.

Beim Dampferzeuger 5 handelt es sich im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel der Figur und einen mittels Kohle 27 befeuerten Kessel, welchem zum Unterhalten der Kohlefeuerung Verbren- nungsluft 29 zugeführt ist.

Im Dampferzeuger 5 ist im Bereich dessen heißem Ende eine Heizfläche 37 sowie in einem Bereich niedrigerer Temperatur eine Zwischenüberhitzerheizfläche 35 angeordnet.

Die Heizfläche 37 dient dazu, Speisewasser 24 aus einem Spei- sewasserbehälter 23 im Dampferzeuger 5 derart zu erhitzen, dass der ersten Turbinenstufe 11 Betriebsdampf zuführbar ist.

Nach Teilentspannung in der ersten Turbinenstufe 11 wird der Dampf mittels der Zwischenüberhitzerheizfläche 35 zwischen- überhitzt. Ein Dampfstrom 17 tritt in Richtung 9 aus der Zwi- schenüberhitzerheizfläche 35 aus und wird einer Befeuerungs- einrichtung zugeleitet. Dabei wird der Dampfstrom 17 in einer Brennkammer 19 mittels eines Brennstoffs 33 und Zugabe von Sauerstoff 31 aufgeheizt, wobei sich der Dampfstrom 17 in der Brennkammer 19 mit dem Heißgas vermischt, welches in der Brennkammer 19 bei der Verbrennung des Brennstoffs 33 ent- steht.

Die Wärmeübertragung vom Heißgas auf den Dampfstrom 17 er- folgt also direkt durch Vermischung, ohne dass zur Wärmeüber- tragung ein Werkstoff, beispielsweise eine Wärmetauscherflä- che, vorgesehen ist.

Anstelle von Sauerstoff 31 ist auch die Verwendung von Luft zur Erzeugung einer geeigneten Verbrennungsatmosphäre mög- lich, wobei die Luft ggf. vor Einleitung in die Brennkammer mittels einer Luftzerlegungseinrichtung in Sauerstoff und Restgas aufgespaltet wird.

Als Brennstoff 33 kann beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, oder Wasserstoff verwendet werden.

Der mittels der Brennkammer 19 aufgeheizte Dampfstrom 17 wird der zweiten Turbinenstufe 13 zugeführt, wo er zumindest einen Teil seiner in ihm enthaltenen Energie in mechanische Arbeit wandelt. Der so weiter entspannte Dampf verlässt die zweite

Turbinenstufe 13 und wird der dritten Turbinenstufe 15 zuge- leitet, wo die im Dampf noch vorhandene Energie möglichst gut in mechanische Energie umgewandelt wird.

Der entspannte Dampf verlässt als Wasser-Dampf-Gemisch die dritte Turbinenstufe 15 und wird einem Kondensator 25 zuge- leitet, wo der noch vorhandene Dampfanteil zu Wasser konden- siert wird.

Dieses, sich im Kondensator 25 ansammelnde Wasser wird als Kondensat 26 dem Speisewasserbehälter 23 zugeführt.

Dem Kondensator 25 können Verbrennungsprodukte 39 entnommen werden, welche bei der Verbrennung in der Brennkammer 19 ent- stehen.

Da sich in der Brennkammer 19 die Verbrennung innerhalb des Dampfstroms 17 abspielt, werden die Verbrennungsprodukte 39 vom Dampfstrom 17 im Dampfkreislauf mitgeführt und nach die- ser Ausführungsform der Erfindung dem Kondensator 25 entnom- men.

Wird als Brennstoff 33 beispielsweise ein Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff 31 verbrannt, so umfassen die Verbrennungspro- dukte 39 Wasser und Kohlendioxid. Dieses Wasser-Kohlendioxid- Gemisch wird vom Dampfstrom 17 mitgeführt und kann dem Kon- densator 25 entnommen werden, da bei der Abkühlung des Was- ser-Kohlendioxid-Gemischs der Wasseranteil weitgehend konden- siert und nahezu reines gasförmiges Kohlendioxid als Gas ver- bleibt, welches anschließend abtransportiert und beispiels- weise gelagert werden kann.