Kondensationsverfahren

Die Erfindung betrifft ein Kondensationsverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Kraftwerkswirkungsgrad ist ein Faktor, der insbesondere bei Neuplanung von Kraftwerken einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat. Es gibt daher vielfältige Bemühungen, Dampfkraftprozesse in Wärmekraftwerken zu optimieren. Besonderes Augenmerk wird hierbei auch auf das Kondensationssystem gelegt. Insbesondere ist das Potential hinsichtlich des Kraftwerkwirkungsgrads noch nicht optimal ausgenutzt, wenn luftgekühlte Kondensatoren verwendet werden, wie sie häufig bei Wassermangel am Kraftwerksstandort zum Einsatz kommen. Luftgekühlte Kondensatoren haben den prinzipbedingten Nachteil, dass nur die Trockenlufttemperatur genutzt werden kann. Hinzu kommt, dass beim Betrieb mit besonders kleinen Abdampfdrücken auch die Kondensatunterkühlung größer ist als bei wassergekühlten Oberflächenkondensatoren.

Bei luftgekühlten Kondensatoren sind in der Regel zwei Kondensationsstufen vorhanden. In einer ersten Kondensationsstufe werden ca. 80-90 % des Abdampfes einer Turbine kondensiert. Eine 100 %ige Kondensation in der ersten Kondensationsstufe ist aufgrund der prozessbedingten Parameter, wie z.B. der schwankenden Außentemperaturen praktisch nicht möglich, so dass in jedem Fall eine zweite Kondensationsstufe für die Restdampfkondensation

erforderlich ist. Aus diesem Grund werden häufig kondensatorisch und dephlegmatorisch geschaltete luftgekühlte Kondensatoren miteinander kombiniert, wobei die dephlegmatorische Kondensation zur Restdampfkondensation vorgesehen ist, also die zweite Kondensationsstufe bildet.

üblicherweise wird das gewonnene Kondensat unmittelbar einem Kondensatsammeitank zugeführt. Anschließend wird das Kondensat einem Entgaser zugeleitet, in dem als Ersatz für Undichtigkeitsverluste aufbereitetes Zusatzwasser zugemischt wird, um daraufhin über eine Speisepumpe wieder einem der Turbine vorgeschalteten Verdampfer zugeführt zu werden. Da das Kondensat in dem Entgaser zur Entgasung wieder auf Siedetemperatur gebracht werden muss, ist es für die Energiebilanz nachteilig, wenn das Kondensat vorher zu stark unterkühlt wurde, da letztlich eine erhöhte Energiezufuhr durch den Einsatz von Primärbrennstoffen realisiert werden muss. Es wird daher angestrebt, die Unterkühlung des Kondensats so gering wie möglich zu halten, um den Einsatz von Primärbrennstoffen zu minimieren. Gleichzeitig wird angestrebt, die zur Kondensation des Turbinenabdampfs einzusetzende Energiemenge ebenfalls so gering wie möglich zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kondensationsverfahren aufzuzeigen, bei welchem die Unterkühlung des Kondensats minimiert werden kann, um den Kraftwerkwirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe ist bei einem Kondensationsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass der im Kondensator gewonnene Kondensatstrom vor der Einleitung in einen Kondensatsammeitank in einer eigens dafür vorgesehenen Kondensataufwärmstufe erwärmt wird . Die Erwärmung des Kondensatstroms erfolgt innerhalb der Kondensataufwärmstufe durch den Turbinenabdampfstrom. Gleichzeitig wird der aus dem Kondensator austretende Teildampfstrom einem Entgaser zugeführt, in welchem der Teildampfstrom kälteres Zusatzspeisewasser erwärmt und selber vollständig kondensiert.

Eine zusätzlich zu einem Entgaser vorgesehene Kondensataufwärmstufe ermöglicht es in der erfindungsgemäßen Schaltungsweise, die Kondensatunterkühlung maßgeblich zu minimieren und damit den Einsatz von Primärbrennstoffen zu reduzieren. Modellrechnungen haben bestätigt, dass eine bei luftgekühlten Kondensatoren herkömmlicher Bauart festzustellende Unterkühlung des Kondensats in einem Bereich von ca. 1 - 6 K auf etwa 0,5 K gegenüber der Temperatur im Sättigungszustand hinter der Turbine reduziert werden kann. In Abhängigkeit von der Reduzierung der Unterkühlung steigt der Kraftwerkwirkungsgrad. Bei einem 600 MW Kraftwerk kann der thermische Wirkungsgrad um bis zu ca. 0,25 % verbessert werden, was in Anbetracht der Kraftwerkdimensionen als nicht zu vernachlässigende Größe zu werten ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die thermische Energie des Turbinenabdampfstroms wesentlich effektiver genutzt, da sie nicht durch die Kondensatoren an die Umgebung abgegeben wird, sondern zu einem großen Teil in das Kondensat einfließt, also dem Wärmekreislauf weitestgehend erhalten bleibt. Die verringerten Energieverluste führen zu der angestrebten Verbesserung des Kraftwerkwirkungsgrads. Durch die Erwärmung des unterkühlten Kondensats wird gleichzeitig eine Kondensation eines Teils des Turbinenabdampfstroms erreicht, so dass weniger Abdampf in den Kondensator eintritt. Die Kondensatoren können dadurch unter Umständen kleiner ausgelegt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ausreichend, wenn die erste Kondensationsstufe, das heißt der luftgekühlte Kondensator, ausschließlich dephlegmatorisch geschaltet ist, da ein bei Dampfkraftprozessen ohnehin erforderlicher Entgaser als zweite Kondensationsstufe zur Kondensation des überschussdampfs genutzt werden kann. Der Aufbau des luftgekühlten Kondensators wird dadurch vereinfacht. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Kondensatoren anwendbar, die sowohl

kondensatorisch als auch dephlegmatorisch geschaltete

Wärmetauschelemente aufweisen.

Bei vollständig dephlegmatorisch geschalteten Kondensatoren wird bereits ein hoher Anteil des Abdampfes der Turbine kondensiert. Dennoch stellt sich der aus dem Kondensator austretende Teildampfstrom aus thermodynamischen Gründen selbsttätig so ein, dass ein hinreichender Volumenstrom im Entgaser zur Verfügung steht. Bei der dephlegmatorisch Schaltung der Kondensatoren wird der Turbinenabdampfstrom gewissermaßen über den Kondensator zu dem Entgaser durchgeleitet und tritt als Teildampfstrom aus. Sollte der aus dem Kondensator austretende Teildampfstrom unter bestimmten Umständen nicht ausreichen, um das kältere Zusatzspeisewasser hinreichend zu erwärmen, ist es möglich, dass ein weiterer Teildampfstrom des Turbinenabdampfstroms direkt, d.h. ohne den Weg über den Kondensator zugeführt wird. Ein erhöhter Wärmebedarf innerhalb des Entgasers besteht insbesondere dann, wenn größere Mengen aufbereiteten Zusatzspeisewassers in den Stoffkreislauf gegeben werden. Da das Zusatzspeisewasser regelmäßig eine deutlich niedrigere Temperatur als das Kondensat besitzt, wirkt es sich auch hier vorteilhaft auf die Energiebilanz eines Kondensationskraftwerks aus, wenn der Teilabdampfstrom aus dem Kondensator dazu genutzt wird, das Zusatzspeisewasser zu entgasen oder zumindest thermisch zur Entgasung beizutragen.

Die Entgasung des Zusatzspeisewassers erfolgt in allererster Linie, vorzugsweise ausschließlich, in dem dafür vorgesehenen Entgaser. Aufgrund der Erwärmung des Kondensatstroms in der Kondensataufwärmstufe können auch hier prozessbedingt Gase entweichen, allerdings ist das erwärmte Kondensat sehr arm an Inertgasen, so dass innerhalb der Kondensataufwärmstufe nur geringe Gasmengen anfallen. Die Gase können ebenso wie bei einem Dephlegmator und wie bei einem Entgaser durch eine Absaugung entfernt werden.

Sollte festgestellt werden, dass durch die Luftabsaugung aus dem Entgaser noch überschussdampf abgesaugt wird ist es in einer vorteilhaften

Weiterbildung der Erfindung möglich, diesen überschussdampf ebenfalls durch Zusatzwasser zu kondensieren. Auch hierdurch wird das Zusatzwasser erwärmt.

Das erwärmte Zusatzspeisewasser aus dem Entgaser wird vorzugsweise ebenfalls der Kondensataufwärmstufe zugeführt, so dass das Zusatzspeisewasser in zwei Stufen erwärmt wird. Der Kondensatstrom aus dem Kondensator reicht zwar aus, um einen Teil des Turbinenabdampfstroms zu kondensieren, eine vollständige Kondensation des aus dem Kondensator austretenden Teildampfstroms ist jedoch aus Gründen der Energiebilanz praktisch nicht möglich. Eine Kondensation des Teildampfstroms kann durch eine hinreichende Menge kälteren Zusatzspeisewassers in jedem Fall sichergestellt werden.

Um den Wärmeübergang innerhalb der Kondensataufwärmstufe zu verbessern, ist vorgesehen, das Kondensat in Tropfenform mit dem Turbinenabdampfstrom in Kontakt zu bringen. Dies kann dadurch geschehen, dass das Kondensat über Formkörper geleitet wird und im Gegenstromverfahren mit dem Turbinenabdampfstrom in Kontakt gebracht wird. Hierzu können die Formkörper kaskadenförmig angeordnet sein. Grundsätzlich ist auch eine kaskadenartige Anordnung von Blechen ohne Verwendung von Formkörpem denkbar. Entscheidend ist die Optimierung des Wärmeübergangs vom Turbinenabdampfstrom auf das unterkühlte Kondensat. In diesem Zusammenhang wird es als besonders zweckmäßig angesehen, das Kondensat zur Tropfenbildung zu zerstäuben. Das Kondensat kann also mittels Düsen in die Kondensataufwärmstufe eingebracht werden. Die Tropfen unterkühlten Kondensats bilden innerhalb der Kondensataufwärmstufe Kondensationskeime niedriger Temperatur, wodurch die Kondensierung des Turbinenabdampfstroms beschleunigt wird, während gleichzeitig die Temperatur des Kondensats energetisch günstig angehoben wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt einen stark vereinfachten Dampfkraftprozess eines Wärmekraftwerks, bei welchem aus einer Turbine 1 über eine Leitung ein Turbinenabdampfstrom 2 einem Kondensator 3 zugeführt wird. Bei dem Kondensator 3 handelt es sich um einen luftgekühlten Kondensator mit kondensatorisch geschalteten Wärmetauscherelementen 4 als auch dephlegmatorisch geschalteten Wärmetauscherelementen 5. Ein Großteil des Turbinenabdampfstroms kondensiert innerhalb des Kondensators 3.

Das gewonnene Kondensat K wird von dem Kondensator 3 ausgehend einer Kondensataufwärmstufe 6 zugeführt, innerhalb welcher das unterkühlte Kondensat K mit dem Turbinenabdampfstrom 2 in Kontakt gelangt. Das Kondensat K wird erhitzt, so dass bereits vor Eintritt des Turbinenabdampfstroms K in den Kondensator 3 über die Leitung 7 ein Teildampfstrom des Turbinenabdampfstroms 2 kondensiert und als Teil des Kondensats K3 unmittelbar in den Stoffkreislauf zurückgeführt wird.

Des Weiteren ist ein Entgaser 8 vorgesehen, welchem ein aus dem Kondensator 3 austretender Teildampfstrom T zugeführt wird. Der Teildampfstrom T wird durch Zuführung kälteren Zusatzspeisewassers W kondensiert. Hierbei wird das Zusatzspeisewasser W erhitzt und gleichzeitig entgast. Der Entgaser 8 dient gewissermaßen als nachgeschaltete zweite Kondensationsstufe. Das Kondensat K1 aus dem Entgaser 8 wird der Kondensataufwärmstufe 6 zugeführt, in welchem die Unterkühlung der Kondensate K, K1 zur Kondensation eines Teils des Turbinenabdampfstroms 2 genutzt wird.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 primär dadurch, dass der Kondensator 9 ausschließlich dephlegmatorisch geschaltet ist. Dies ist an dem Dampfeintritt am unteren Randbereich des Kondensators 9 zu erkennen.

Ein weiterer Unterschied ist, dass neben dem Entgaser 8 auch als zweite Kondensationsstufe ein überschussdampfkondensator 11 vorgesehen ist. Der überschussdampfkondensator 11 dient dazu, überschussdampf T2, welcher schon stark mit Inertgasen aus dem Kondensator 9 angereichert ist, vollständig

zu kondensieren und zwar durch Zusatzspeisewasser W. Das hat den Effekt, dass sich das Zusatzspeisewasser W erwärmt und sich mit dem Kondensat aus dem überschussdampf vermischt. Das Gemisch wird als Kondensatstrom K2 der Kondensataufwärmstufe 6 zugeführt.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist eine Luftabsaugung 10 vorgesehen, um Gase aus dem Stoffstrom zu entfernen. Die Luftabsaugung 10 ist sowohl an den ausschließlich dephlegmatorisch geschalteten Kondensator 9 bzw. die dephlegmatorisch geschalteten Wärmetauscherelemente 5, als auch an die Kondensataufwärmstufe 6 sowie an den Entgaser 8 bzw. den überschussdampfkondensator 11 angeschlossen. Das gesamte Kondensat K3 wird in nicht näher dargestellter Weise einem Kondensatsammeitank zugeführt.

Figur 3 zeigt die errechnete Veränderung des thermischen Wirkungsgrads des Prozesses (in %), aufgetragen über die Kondensatunterkühlung (in K). Grundlage für die in diesem Diagramm angegebenen Werte ist eine Berechnung nach der Formel ηth=P/(Qin+δQin), wobei mit ηth der Wirkungsgrad, mit P die Turbinenleistung, mit Qin die Wärmeeinspeisung und mit δQin die Zusatzwärme für die Kondensataufwärmung bezeichnet ist. Bei einem 600 MW Kraftwerk ergeben sich folgende Werte:

Folgende Parameter sind bei dieser Berechnung konstant: Turbinenleistung 600 MW, Abdampfmassenstrom 369 kg/s, Abdampfenthalpie 2330 kJ/kg, Abdampfdruck 7 kPa, Sattdampftemperatur 39°C, Wärmeeinspeisung 1400,26 MW. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt dadurch zum Ausdruck, dass die Unterkühlung des Kondensats stark reduziert werden kann, was sich in der Verbesserung des Wirkungsgrads auswirkt.

Bezugszeichen:

1 - Turbine

2 - Turbinenabdampfstrom

3 - Kondensator

4 - kondensatorisch geschaltetes Wärmetauscherelement

5 - dephlegmatorisch geschaltetes Wärmetauscherelement

6 - Kondensataufwärmstufe

7 - Leitung

8 - Entgaser

9 - Kondensator

10 - Luftabsaugung

11 - überschussdampfkondensator

K - Kondensat K1 - Kondensat K2 - Kondensat K3 - Kondensat

T - Teildampfstrom T1 - Teildampfstrom T2 - überschussdampf W - Zusatzspeisewasser