Schaltung zur Aufwärmung von Wasser

Abstract

 Eine Schaltung (3) zur Vorwärmung von Speisewasser in einer Dampfkraftanlage mit mehreren Oberflächenvorwärmern und einem Niederdruck-Mischvorwärmer weist einen Hochdruckenthitzer (9) auf zur Enthitzung von Anzapfdampf für den Niederdruck-Mischvorwärmer (7). Der Hochdruckenthitzer (9) ist wasserseitig zwischen dem Speisewasserbehälter (7) und dem ersten Hochdruckenthitzer (10) geschaltet. Mittels dem überhitzten Anzapfdampf wird im Hochdruckenthitzer (9) eine Erwärmung des Speisewassers für den Mischvorwärmer um ca. 4 K erreicht. Dadurch ist der Wärmeverbrauch des nachgeschalteten Hochdruckvorwärmers (10) sowie auch der Wärmeverbrauch der gesamten Anlage geringer. Da die Temperatur des Speisewassers am Enthitzereintritt durch die Speisewasserpumpe etwa 3 K über der Sättigungstemperatur des Anzapfdampfes liegt, besteht im Enthitzer (9) keine Kondensationsgefahr und die Überhitzung des Anzapfdampfes kann voll ausgenützt werden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Aufwärmung von Speisewasser in einer Dampfkraftanlage durch Turbinenanzapfdampf, mit mehreren Oberflächenvorwärmern, einem Mischvorwärmer und einem Hochdruckenthitzer in Verbindung mit dem Mischvorwärmer.

Stand der Technik

[0002] Schaltungen zur Vorwärmung von Speisewasser in Dampfkraftanlagen mittels Turbinenanzapfdampf in mehreren Stufen von Niederdruck- und Hochdruckvorwärmern sind allgemein bekannt. Sie weisen einen Speisewasserbehälter mit Mischvorwärmer/Entgaser und mehrere Oberflächenvorwärmer, Niederdruck- und Hochdruckvorwärmer auf, die wasserseitig in Serie geschaltet sind und durch welche das Speisewasser gepumpt wird. Der aus einer Turbine angezapfte, überhitzte oder gesättigte Dampf wird zu den Vorwärmern geleitet, wo im Wärmetausch zwischen dem Dampf und dem Speisewasser das Speisewasser erwärmt und der Dampf enthitzt und kondensiert wird.

[0003] Das Speisewasser vor dem Eintritt in den Kessel wird durch die Übertragung von Dampfwärme vorgewärmt und der Gesamtwärmeverbrauch der Dampfkraftanlage wird optimiert. Für die Optimierung des Wärmeverbrauchs wird einerseits die Ausschöpfung des Temperaturgefälles zwischen dem Dampf und dem Speisewasser und anderseits die Grädigkeit eines Vorwärmers berücksichtigt.

[0004] Der Anzapfdampf aus Mittel- und Hochdruckturbinen besitzt in seinem überhitzten Zustand eine Temperatur, die weit über der Sättigungstemperatur des Dampfes liegt. Um das grosse Gefälle zwischen Dampf- und Speisewassertemperatur optimal auszunutzen, werden innerhalb der Gehäuse der Hochdruckvorwärmer Enthitzer eingebaut. Das aufzuwärmende Speisewasser fliesst vom Wasserkammereintritt durch U-förmige Rohre zum Wasserkammeraustritt, wobei diese U-Rohre sich durch den Raum des Enthitzers, der Kondensationszone sowie des Unterkühlers des Vorwärmers erstrecken. Der überhitzte Turbinenanzapfdampf strömt im Kreuz-Gegenstrom um die Rohre, zuerst durch den Enthitzerraum, den Kondensationsraum und dann durch den Unterkühlerraum. Der Dampf wird dabei im Enthitzer enthitzt und die Wärme auf das Speisewasser übertragen. Der Enthitzer ist dabei so ausgelegt, dass keine Kondensation des Dampfes an den Rohren entstehen kann, da eine Kondensation bei den hier vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten zu Erosionen an den Rohren führen würde. Diese Art Vorwärmer hat einerseits den Vorteil, dass der Enthitzer im gleichen Gehäuse untergebracht werden kann, wodurch einerseits Platz und Baukosten eingespart werden können und anderseits das grosse Temperaturgefälle zwischen dem überhitzten Dampf und dem Speisewasser für die Wassererwärmung besser ausgenützt wird. Dadurch wird der Wärmeverbrauch für die Wasservorwärmung verringert. Nachteilig jedoch ist die aufwendige Berohrung eines Hochdruck-Oberflächenvorwärmers und die Grädigkeit, die bei einem Oberflächenvorwärmer durch das Grenzmedium, das Rohrmaterial zwischen Speisewasser und Dampf, stets grösser Null ist.
Im Mischvorwärmer/Entgaser gelangt das Speisewasser/Kondensat in direkten Kontakt mit dem Wärmetauschmedium, sodass eine Grädigkeit von Null durchaus erreicht werden kann. Die maximal erreichbare Temperatur des Speisewassers ist hier natürlich die Sättigungstemperatur des Dampfes entsprechend dem Druck, der im Mischvorwärmer vorherrscht.

[0005] Mischvorwärmer haben den Vorteil einer optimalen Kondensationsgrädigkeit und ermöglichen dadurch im Vergleich zu einem Oberflächenvorwärmer eine erhöhte Wassererwärmung. Sie haben jedoch den Nachteil, dass durch den Direktkontakt des Dampfes mit dem Kondensat prinzipiell kein Enthitzer im selben Gehäuse eingebaut werden kann. Das Temperaturgefälle zwischen überhitztem Anzapfdampf und Speisewasser kann nicht zu dem Grad ausgenutzt werden wie es bei den Oberflächenvorwärmern mit eingebautem Enthitzer möglich ist.

Darstellung der Erfindung

[0006] Angesichts der bekannten Schaltungen zur Vorwärmung von Speisewasser ist der Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Schaltung zur Vorwärmung von Speisewasser einer Dampfkraftanlage zu schaffen, die den Wärmeverbrauch der Dampfkraftanlage verbessert, indem das Temperaturgefälle zwischen dem überhitzten Anzapfdampf und dem Speisewasser bei Mischvorwärmern besser ausgeschöpft wird.

[0007] Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung zur Vorwärmung von Speisewasser gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, die einen Hochdruckenthitzer zur Enthitzung von Anzapfdampf für einen Niederdruck-Mischvorwärmer aufweist, wobei der Hochdruckenthitzer wasserseitig zwischen dem Speisewasserbehälter und dem ersten Hochdruckvorwärmer geschaltet ist.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Hochdruckenthitzer zwischen der Speisewasserpumpe und dem ersten Hochdruckvorwärmer geschaltet. Dampfseitig verläuft die Schaltung wie folgt. Dampf wird von einer höheren Stufe einer Turbine, üblicherweise einer Mitteldruckturbine, entnommen und dem Hochdruckenthitzer zugeführt. Er durchströmt den Enthitzerraum und erwärmt die von Speisewasser durchflossenen Rohre und wird nach dem Austritt aus dem Enthitzer dem Niederdruck-Mischvorwärmer zugeführt. Im Mischvorwärmer kondensiert er am versprühten Speisewasser/Kondensat, welches dabei auf die Sättigungstemperatur erwärmt wird.
Wasserseitig wird Speisewasser/Kondensat vom Kondensator dem Niederdruck-Mischvorwärmer zugeführt und dort versprüht. Das Speisewasser/Kondensat wird hier durch den Wärmetausch mit dem Anzapfdampf erwärmt, der aus dem erfindungsgemässen separaten Hochdruckenthitzer zugeleitet worden ist, und wird im Speisewasserbehälter angesammelt. Das Speisewasser wird sodann durch die Speisewasserpumpe dem Hochdruckenthitzer zugeführt, wobei es durch die Wärme der Pumpe weiter erwärmt wird. Im Hochdruckenthitzer wird es wiederum um einige Grad Kelvin erwärmt und wird darauf dem ersten Hochdruckvorwärmer zugeleitet.

[0008] Die erfindungsgemässe Schaltung hat den Hauptvorteil, dass das Temperaturgefälle zwischen dem für den Niederdruck-Mischvorwärmer bestimmten Anzapfdampf und dem Speisewasser mittels dem separaten Enthitzer für die Wassererwärmung besser genutzt wird. Durch den separaten Enthitzer wird eine Erwärmung des Speisewassers je nach Überhitzung des Dampfes von ca. 4 bis 5 K erreicht. Da die Temperatur des Speisewassers am Ende der Vorwärmerschaltung die gleiche ist wie in bestehenden Schaltungen, wird dadurch die notwendige Erwärmung mit hochwertigem Dampf durch den darauffolgenden Hochdruckvorwärmer geringer und der Wärmeverbrauch des Hochdruckvorwärmers wird vermindert. Der Wärmeverbrauch der gesamten Anlage verringert sich dadurch um ca. 0.08%.
Ein zweiter Vorteil der Schaltung besteht darin, dass im Hochdruckenthitzer eine Kondensation des Anzapfdampfes nicht möglich ist. Das Speisewasser besitzt am Eintritt in den Hochdruckenthitzer eine Temperatur, die über der Sättigungstemperatur des Anzapfdampfes liegt, da es beim Durchlauf der Speisewasserpumpe um etwa 3K erwärmt worden ist. Es besteht deshalb keine Kondensationsgefahr im Hochdruckenthitzer, wodurch sich grössere Freiheiten bei der Auslegung des Apparates ergeben, indem der Apparat grösser gebaut und die Überhitzungswärme des Anzapfdampfes voll ausgenützt werden kann.

[0009] Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die erfindungsgemässe Schaltung eine erhöhte Leistung der Mitteldruckturbine, von welcher der Anzapfdampf für den Hochdruckvorwärmer entnommen wird. Die erhöhte Turbinenleistung ergibt sich aus einem verstärkten Anzapfmassenstrom für den Mischvorwärmer und einer Reduktion des Anzapfdampfstroms für den Hochdruckvorwärmer. Entsprechend der Verringerung des Wärmeverbrauchs um 0.08% wird bei einer 175 MW-Anlage ein Leistungsgewinn von ca. 150 kW erzielt.
In der bevorzugten Ausführung ist der Hochdruckenthitzer nach der Speisewasserpumpe geschaltet, wodurch sich der weitere Vorteil ergibt, dass keine zusätzliche Pumpe für den Betrieb des Hochdruckenthitzers notwendig ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Es zeigen:

Figur 1 ein Schema der erfindungsgemässen Schaltung zur Vorwärmung des Speisewassers mittels eines separaten Hochdruckenthitzers für den Niederdruck-Mischvorwärmer.

Figur 2 ein Schema der Temperatur des Speisewassers als Funktion seines Durchlaufs durch die erfindungsgemässe Schaltung.

Figur 3 einen separaten Enthitzer aus dem Stand der Technik, der in der erfindungsgemässen Vorwärmerschaltung eingesetzt werden kann.

Weg der Ausführung der Erfindung

[0011] Figur 1 zeigt schematisch eine Dampfkraftanlage mit einem Kessel 1, je einer Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbine HP, MP bzw. LP, einem Generator G, einem Kondensator 2 und einer Schaltung 3 zur Vorwärmung von Speisewasser. In der Schaltung 3 wird das Kondensat zunächst mittels einer Kondensatpumpe 4 vom Kondensator 2 durch mehrere Niederdruckvorwärmer 4', 5, 6 gepumpt. Davon weisen die Vorwärmer 5 und 6 je einen Unterkühler 5a bzw. 5b auf. Sie werden ferner von Leitungen 4s, 5s, und 6s mit Anzapfdampf aus der Niederdruckturbine LP gespiesen. Den Niederdruckvorwämern 4', 5, 6 ist ein Niederdruck-Mischvorwärmer 7 mit Entgaser nachgeschaltet. Hier wird das Kondensat versprüht und zwecks Erwärmung mit heissem Dampf aus der Mitteldruckturbine MP aufgewärmt und im Speisewasserbehälter 7a gesammelt. Das Speisewasser wird darauf durch die Speisewasserpumpe 8 zunächst dem Hochdruckenthitzer 9 und darauf zwei Hochdruckvorwärmern zugeführt. (Der Enthitzer 9 ist wasserseitig der Speisewasserpumpe 8 nachgeschaltet und demnach als Hochdruckenthitzer bezeichnet.) In diesem Schema sind insgesamt 7 Vorwärmerstufen gezeigt. Eine Schaltung mit mehr oder weniger Stufen ist sicherlich ausführbar.

[0012] Der Anzapfdampf für den Niederdruck-Mischvorwärmer 7 wird der Mitteldruckturbine MP an einem Anzapfpunkt 9p im Bereich einer höheren Stufe der Turbine MP entnommen. Vor der Zugabe des heissen, überhitzten Dampfes über die Leitung 9s in den Mischvorwärmer 7 wird er im separaten Enthitzer 9 enthitzt. Der überhitzte Dampf wird vom Anzapfpunkt 9p über die Leitung 9s in den Enthitzer 9 geleitet. Hier erwärmt er die von Speisewasser durchflossenen Rohre, wird dabei enthitzt und schliesslich mit einer tieferen Temperatur dem Mischvorwärmer 7 zugeführt.
Das von der Speisewasserpumpe 8 gepumpte Speisewasser wird vorzugsweise in zwei Leitungen 20 und 21 geleitet. Ein Teilstrom gelangt über die Leitung 20 durch den Enthitzer, und der andere Teilstrom umgeht den Enthitzer 9 über die Leitung 21. Nach dem Enthitzer werden die beiden Teilströme in der Leitung 23 zusammengeführt, vermischt und dem Vorwärmer 10 zugeführt. Das Teilverhältnis der beiden Speisewasserströme wird durch eine Drosselung 22 eingestellt. Die Führung eines Teilstroms durch den Enthitzer 9 ermöglicht eine Realisierung des Hochdruckenthitzers mit einer kleineren Wärmetauschfläche und einem kleineren Gehäuse, was Platz einspart und kostengünstiger ist. Die Erwärmung des gesamten Speisewasserstroms nach der Vermischung mit dem zweiten Teilstrom beträgt ungefähr 4 K. Eine grössere Erwärmung ist physikalisch möglich; diese wäre jedoch mit einer grösseren Dampfüberhitzung und grösseren Wärmeaustauschfläche im Hochdruckenthitzer 9 verbunden. Der Aufwand für die vergrösserte Wärmetauschfläche im Vergleich zum Gewinn in der Erwärmung kann optimiert werden.
Anstelle der Teilung des Speisewasserstroms, kann auch der gesamte Speisewasserstrom durch den Enthitzer geführt werden, wofür eine grössere Wärmetauschfläche notwendig wäre. Auf diese Weise beträgt die erzielbare Erwärmung des gesamten Speisewasserstroms wiederum ungefähr 4 K. Die Erwärmung eines Teilstroms mit nachträglicher Vermischung des zweiten Teilstroms ist aufgrund der kleineren notwendigen Wärmetauschfläche die bevorzugte Ausführung.
Beim Durchlaufen der Speisewasserpumpe 8 wird das Speisewasser um ca. 3K erwärmt. Es besitzt dadurch beim Eintritt in den Hochdruckenthitzer 9 eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Anzapfdampfs. Aus diesem Grund kann sich der Anzapfdampf im Enthitzer 9 nicht bis auf die Sättigungstemperatur abkühlen und kondensieren. Da keine Kondensationsgefahr besteht, ergeben sich bei der Auslegung des Enthitzers grössere Freiheiten, während bei bekannten eingebauten Enthitzern die Auslegung durch eine Kondensationsgefahr eingeschränkt ist.

[0013] Der Hochdruckvorwärmer 10 weist einen Unterkühler 10a, eine Kondensationszone 10b und einen Enthitzer 10c auf. Er wird über eine Leitung 10s mit Anzapfdampf aus der Mitteldruckturbine MP gespiesen, wobei der Anzapfpunkt 10p an einer höheren Stufe der Turbine angeordnet ist.
Der Oberflächenvorwärmer 11 ist ähnlich dem Vorwärmer 10 ausgelegt mit einem Unterkühler 11a, einem Kühler 11b und einem Enthitzer 11c. Der Vorwärmer 11 wird über die Leitung 11s mit Anzapfdampf aus der Hochdruckturbine HP gespiesen.
Figur 2 stellt anhand eines Temperaturdiagramms (von rechts nach links) die Vorwärmung des Kondensators/Speisewassers durch die erfindungsgemässe Schaltung. Zuerst ist die Erwärmung im Mischvorwärmer 7 durch den Anzapfdampf aus der Leitung 9s und 9b gezeigt, gefolgt von der Erwärmung um ca. 3K beim Durchlauf durch die Speisewasserpumpe 8. Es folgt die Erwärmung des Speisewassers, welches in der Leitung 20 geführt wird, um mehrere K durch den Enthitzer 9. Das Speisewasser in der Leitung 21 erfährt dabei keine Erwärmung. Nach der Zusammenführung der Leitungen 20 und 21 liegt die Temperatur des Speisewassers, das über die Leitung 23 zum Hochdruckvorwärmer 10 gelangt, ca. 4 K über der Wassertemperatur nach der Speisewasserpumpe 8.
Figur 3 zeigt das Prinzip eines Hochdruckenthitzers. Es ist ein Apparate aus dem Stand der Technik, der in dieser Vorwärmerschaltung ebenfalls angewendet werden kann. Dieser separate Hochdruckenthitzer weist einen Mantel 50 auf, der eine unterteilte Speisewasserkammmer 51 und einen Enthitzerraum 52 umfasst, welche durch einen Rohrboden 53 voneinander getrennt sind. Das Speisewasser tritt durch einen Wassereintrittsstutzen 54 in den ersten Teil der Wasserkammer 51 und durchfliesst den Enthitzerraum 52 über Rohre des Rohrbündels 55, wonach es über den zweiten Teil der Wasserkammer 51 und den Wasseraustrittsstutzen 56 den Enthitzer verlässt. Der überhitzte Anzapfdampf gelangt über einen Dampfeintritt 57 in den Enthitzerraum 52, wo er im Gegenstrom zum Wasser über die Rohre strömt. Er wird dabei durch Bleche 58 und eine in der Mitte des Rohrbündels angeordnete zick-zack-förmige Trennwand 59 mehrfach umgelenkt. Nach Durchströmen des Enthitzerraums 52 und Erwärmung des Rohrbündels gelangt der Dampf durch den Dampfaustritt 60 aus dem Enthitzer.

[0014] Ein dem separaten Hochdruckenthitzer nachgeschaltete Oberflächenvorwärmer weist Speisewasserkammern, einen Unterkühler, eine Kondensationszone sowie einen Enthitzer 45 auf, die zum Beispiel in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Das aufzuwärmende Speisewasser fliesst in U-förmigen Rohren durch den Unterkühler, die Kondensationszone und den Enthitzer. Der Anzapfdampf durchströmt den Vorwärmer im Kreuz-Gegenstrom, wobei er durch Bleche umgelenkt wird. Der Enthitzer ist dabei klein ausgelegt, sodass sich kein Kondensat bildet. Der Enthitzer kann auch in einem separaten Gehäuse, getrennt vom Hochdruckvorwärmer angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

[0015] 

1

Kessel

2

Kondensator

3

Vorwärmerschaltung

4

Kondensatpumpe

4'

erster Niederdruckvorwärmer

5

zweiter Niederdruck-Oberflächenvorwärmer

5a

Unterkühler

5b

Kondensationszone

5s

Dampfleitung

6

dritter Niederdruck-Oberflächenvorwärmer

6a

Unterkühler

6b

Kondensationszone

6s

Dampfleitung

7

Speisewasserbehälter

7a

Niederdruck-Mischvorwärmer mit Entgaser

8

Speisewasserpumpe

9

Hochdruckenthitzer

9b

Dampfleitung

9s

Dampfleitung

9p

Entnahmepunkt

10

Oberflächenvorwärmer

10a

Unterkühler

10b

Kondensationszone

10c

Enthitzer

10s

Dampfleitung

10p

Entnahmepunkt

11

Oberflächenvorwärmer

11a

Unterkühler

11b

Kondensationszone

11c

Enthitzer

11s

Dampfleitung

20

Speisewasserleitung, erste Teilleitung

21

Speisewasserleitung, zweite Teilleitung

22

Drosselung

23

Speisewasserleitung

50

Mantel

51

Speisewasserkammer

52

Enthitzerraum

53

Rohrboden

54

Wassereintrittsstutzen

55

Rohrbündel

56

Wasseraustrittsstutzen

57

Dampfeintritt

58

Umlenkbleche

59

Trennwand

60

Dampfaustritt

HP

Hochdruckturbine

MP

Mitteldruckturbine

LP

Niederdruckturbine

Ansprüche

1. Vorwärmerschaltung (3) zur Vorwärmung von Speisewasser in einer Dampfkraftanlage mit einem Kessel (1), einer oder mehreren Turbinen, einem Kondensator (2), Niederdruck- und Hochdruckvorwärmern (4', 5,6,10,11), einem Speisewasserbehälter (7a), einer Speisewasserpumpe (8), wobei die Vorwärmerschaltung (3) einen mit Anzapfdampf gespiesenen Niederdruck-Mischvorwärmer (7) aufweist, dem die Speisewasserpumpe (8) und einen mit Anzapfdampf gespiesenen Hochdruckvorwärmer (10) nachgeschaltet sind dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorwärmerschaltung (3) einen Hochdruckenthitzer (9) zur Enthitzung von Anzapfdampf für den Niederdruck-Mischvorwärmer (7) aufweist, wobei der Enthitzer (9) wasserseitig zwischen dem Speisewasserbehälter (7a) und dem Hochdruckvorwärmer (10) geschaltet ist.

Zeichnung