Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Dampferzeugung und Dampferzeugeranlage

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Dampferzeugung, insbesondere in einem fossil befeuerten Kraftwerk, z.B. in einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem aus Wasser durch indirekten Wärmetausch mit heißem Rauchgas (RG) Dampf erzeugt wird, wobei kondensiertes Wasser (K) zunächst vorgewärmt und anschließend das vorgewärmte Wasser (W) unter hohem Druck verdampft wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß im Teillastbereich der Anlage das vorgewarmte und unter hohem Druck stehende Wasser (W) durch Wärmetausch mit mindestens einem Teilstrom (t₁) des kondensierten Wassers (K) gekühlt wird. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage mit einem Dampferzeuger (1), dessen eine Heizfläche ein Kondensatvorwärmer (3) ist. Die Anlage umfaßt außerdem einen Wärmetauscher (40), der primärseitig dem Kondensatvorwärmer (3) nachgeschaltet und sekundärseitig dem Kondensatvorwärmer (3) vorgeschaltet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Dampferzeugung, insbesondere in einem fossil befeuerten Kraftwerk, z.B. in einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem aus Wasser durch indirekten Wärmetausch mit heißem Rauchgas Dampf erzeugt wird, wobei kondensiertes Wasser zunächst vorgewärmt und anschließend das vorgewärmte Wasser unter hohem Druck verdampft wird. Sie richtet sich weiter auf eine nach diesem Verfahren betriebene Anlage.

[0002] Bei einer Anlage zur Dampferzeugung wird die in einem heißen Rauchgas enthaltene Wärmemenge im Dampferzeuger zur Erzeugung von Dampf genutzt. Das Rauchgas ist z.B. das einer Gasturbine entströmende heiße Abgas und der Dampferzeuger ist z.B. ein der Gasturbine nachgeschalteter Abhitzekessel. Die in dem Dampferzeuger angeordneten und in Form von Rohren oder Rohrbündeln ausgebildeten Heizflächen sind üblicherweise in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet. Dabei umfaßt der Wasser-Dampf-Kreislauf häufig mehrere Druckstufen, die jeweils aus einem Vorwärmer sowie einem Verdampfer und einem Überhitzer aufgebaut sind. Um einen möglichst hohen Anteil der in dem Rauchgas enthaltenen Wärmemenge umzusetzen, ist im Dampferzeuger zusätzlich ein Kondensatvorwärmer zum Aufwärmen des kondensierten Wassers aus der Dampfturbine vorgesehen. Bei einer hohen Temperatur des in den Dampferzeuger eintretenden Rauchgases und bei einer großen, im Wasser-Dampf-Kreislauf verfügbaren Gesamtwassermenge werden besonders niedrige Temperaturen des den Dampferzeuger verlassenden Abgases erreicht. Dies bedeutet, daß bei Vollastbetrieb der Wirkungsgrad der Anlage besonders hoch ist. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Dampferzeuger mit einer Zusatzfeuerung betrieben wird.

[0003] Beim Betrieb einer derartigen Anlage ist allerdings bei verschiedenen Betriebszuständen die in den Dampferzeuger eingebrachte Wärmemenge unterschiedlich, wobei die Heizflächen im Dampferzeuger für Vollastbetrieb ausgelegt sind. Im Teillastbereich, d.h. im Bereich unterhalb des Vollastbetriebes der Anlage, ist durch eine Verminderung der Rauchgastemperatur die in den Dampferzeuger eingebrachte Warmemenge abgesenkt, auch wenn dabei der Massenstrom des Rauchgases annähernd konstant bleibt. Die dadurch bedingte Verminderung der erzeugten Dampfmenge hat eine Reduzierung der in dem Wasser-Dampf-Kreislauf verfügbaren Gesamtwassermenge zur Folge. Dies kann in unerwünschter Weise zu einer frühzeitigen Verdampfung des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers führen. Eine derartige Dampfbildung in einem Hochdruck-Vorwärmer (Economizer) oder an dessen Austritt wirkt sich besonders nachteilig auf die Massenverteilung am Eingang der üblicherweise zueinander parallel angeordneten Rohre im Hochdruck-Verdampfer des Dampferzeugers aus. Eine instabile Strömung in den Rohren, insbesondere in den Rohren des Hochdruck-Verdampfers, verringert vor allem die Wirksamkeit der Heizflächen mit der Folge, daß der Wirkungsgrad der Anlage sinkt. Instabile Strömungsverhältnisse können darüber hinaus auch zu Schäden an den Heizflächen führen.

[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Dampferzeugung sowie eine derartige Anlage derart auszubilden, daß bei allen Betriebszuständen, insbesondere auch im Teillastbereich, ein möglichst hoher Wirkungsgrad und stabile Strömungsverhältnisse im Bereich der Heizflächen erreicht werden.

[0005] Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens im Teillastbereich das vorgewärmte und bereits unter hohem Druck stehende Wasser durch Wärmetausch mit mindestens einem Teilstrom des kondensierten Wassers gekühlt wird.

[0006] In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens werden die Temperatur des Wassers vor der Verdampfung und die Temperatur des Dampfes ermittelt, wobei die Differenz dieser Temperaturen als Größe zum Einstellen des Teilstroms dient. Dadurch wird wiederum die Temperatur des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers beeinflußt.

[0007] Zur Einstellung der Temperatur des kondensierten Wassers vor Eintritt in den Dampferzeuger wird zweckmäßigerweise dem kondensierten Wasser ein Teilstrom des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers zugemischt.

[0008] Bezüglich der Anlage zur Dampferzeugung, die einen von heißem Rauchgas durchströmten Dampferzeuger umfaßt, dessen eine Heizfläche ein Kondensatvorwärmer ist, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher, der primärseitig dem Kondensatovorwärmer nachgeschaltet und sekundärseitig dem Kondensatvorwärmer vorgeschaltet ist.

[0009] Zur Einstellung der Temperatur des den Wärmetauscher primärseitig durchströmenden vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Anlage zur Dampferzeugung auf der Zuströmseite und auf der Abströmseite eines Hochdruck-Verdampfers jeweils ein Temperatursensor vorgesehen. Die Temperatursensoren sind über ein Regelglied zweckmäßigerweise mit einem in eine Kondensatleitung geschalteten Ventil verbunden. Der Wärmetauscher liegt zweckmäßigerweise in einer Teilstromleitung, die ein Bypass zur Kondensatleitung ist.

[0010] Es ist bekannt, in einem fossil befeuerten Dampferzeuger, insbesondere in einem Benson-Dampferzeuger, dem eigentlichen Hochdruck-Verdampfer einen weiteren Verdampfer, d.h. einen sogenannten Restverdampfer oder Vorüberhitzer, nachzuschalten. Innerhalb des Restverdampfers liegt der Ort oder Punkt vollständiger Verdampfung, ab dem die Überhitzung des Dampfes einsetzt. Bei einer symmetrischen Anordnung der entsprechenden Verdampfer- oder Heizflächenrohre und der dazugehörigen Verbindungsrohre sowie bei genügend hoher Turbulenz in einem den entsprechenden Rohren vorgeschalteten Sammelbehälter wird eine gute Verteilung des Wasser-Dampf-Gemisches am Eingang der Rohre des Restverdampfers erreicht. Dabei war bisher der Restverdampfer in Strömungsrichtung des heißen Rauchgases hinter dem ersten Hochdruck-Verdampfer angeordnet und lag somit in einem Bereich vergleichsweise kühler Rauchgastemperatur.

[0011] In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist der Restverdampfer in Strömungsrichtung des Rauchgases vor dem eigentlichen Hochdruck-Verdampfer angeordnet. Dabei ist innerhalb des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Hochdruck-Verdampfer dem Restverdampfer vorgeschaltet und dem Kondensat-Vorwärmer nachgeschaltet. Mit dieser Schaltung ist eine sichere Einhaltung des vorgegebenen Abstands zwischen der Temperatur des Rauchgases im Dampferzeuger im Bereich des Ausgangs des Hochdruck-Verdampfers und der Temperatur des gesättigten Dampfes im Hochdruck-Verdampfer gegeben. Dieser auch als "pinch-point" bezeichnete Temperaturabstand bestimmt in erheblichem Maß die Größe der Heizfläche des Hochdruck-Verdampfers. Mit dieser Heizflächenanordnung läßt sich somit, insbesondere bei stabilen Strömungsverhältnissen, eine besonders kleine Heizfläche des Hochdruck-Verdampfers und des Restverdampfers erreichen.

[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt schematisch in einem Ausschnitt eine Anlage zur Dampferzeugung mit einem Dampferzeuger, dessen Heizflächen in einen Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltet sind.

[0013] Die dargestellte Anlage zur Dampferzeugung umfaßt einen Dampferzeuger 1, der primärseitig von heißem Rauchgas RG durchströmt wird. Der Dampferzeuger 1 ist z.B. Teil einer Gas- und Dampfturbinenanlage. Das abgekühlte Rauchgas RG verläßt den Dampferzeuger 1 - wie durch den Pfeil 2 angedeutet - in Richtung auf einen nicht dargestellten Kamin. Das Rauchgas RG wird in einem z.B. fossil befeuerten Dampferzeuger selbst erzeugt; es kann aber auch das heiße Abgas aus einer dem Dampferzeuger 1 vorgeschalteten Gasturbine sein. In diesem Fall wird der Dampferzeuger 1 auch als Abhitzekessel oder Abhitzedampferzeuger bezeichnet.

[0014] Der Dampferzeuger 1 umfaßt einen Kondensatvorwärmer 3, eine Niederdruck-Heizeinrichtung 10, eine Hochdruck-Heizeinrichtung 20 und einen Zwischen-Überhitzer 25.

[0015] Die Niederdruck-Heizeinrichtung 10 umfaßt einen Vorwärmer 12 und einen Verdampfer 14, die zusammen mit einer Wasser-Dampf-Trommel 16 und einem nicht dargestellten Niederdruckteil einer Dampfturbine zur Niederdruckstufe eines Wasser-Dampf-Kreislaufs 18 gehören.

[0016] Die Hochdruck-Heizeinrichtung 20 umfaßt zwei in Reihe geschaltete Verdampfer 22, 24 und einen Hochdruck-Überhitzer 26, die zusammen mit einem Hochdruck-Vorwärmer oder Economizer 28 und einem Wasser-Dampf-Behälter 30 sowie einem nicht dargestellten Hochdruckteil der Dampfturbine die Hochdruckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 18 bilden.

[0017] Der Zwischenüberhitzer 25 ist in nicht näher dargestellter Weise mit einem Mitteldruckteil der Dampfturbine verbunden.

[0018] Beim Betrieb der Anlage strömt kondensiertes Wasser K aus einem der (nicht gezeigten) Dampfturbine nachgeschalteten (nicht gezeigten) Kondensator über eine Kondensatleitung 4 und durch den Kondensatvorwärmer 3 in einen Speisewasserbehälter 6. In die Kondensatleitung 4 ist ein Drei-Wege-Ventil 7 geschaltet. Zur Einstellung einer geeigneten Speisewassertemperatur wird ein Teil des im Kondensatvorwärmer 3 vorgewärmten kondensierten Wassers K über eine Umwälzpumpe 8 erneut durch den Kondensatvorwärmer 3 gefördert.

[0019] Aus dem Speisewasserbehälter 6 strömt Wasser über eine Speisewasserpumpe 9 in den Niederdruck-Vorwärmer 12 und von dort in die Wasser-Dampf-Trommel 16. In der Trenntrommel 16 werden Wasser und Dampf voneinander getrennt. Das Wasser wird über eine Pumpe 11 durch den Niederdruck-Verdampfer 14 geführt und von dort als Dampf in die Trenntrommel 16 zurückgefördert. Der Dampf wird über eine Leitung 13 dem Niederdruckteil der Dampfturbine zugeführt.

[0020] Dem Speisewasserbehälter 6 wird außerdem über eine Hochdruck-Pumpe 21 vorgewärmtes Wasser W entnommen, das unter hohem Druck über eine Leitung 23 in den Economizer 28 gefördert wird. Von dort strömt das vorgewärmte und unter hohem Druck stehende Wasser W in die Verdampfer 22 und 24. Der aus dem auch als Restverdampfer oder Vorüberhitzer bezeichneten Verdampfer 24 abströmende Dampf wird über eine Leitung 27 in den Wasser-Dampf-Trennbehälter 30 gefördert.

[0021] Bei Inbetriebnahme der Anlage werden der Economizer 28 und die Verdampfer 22 und 24 zunächst mit einem vorgegebenen Wasserstrom durchspeist, wobei das Wasser in dem Wasser-Dampf-Trennbehälter 30 gesammelt und von dort über eine Leitung 29 in einen Entspannungsbehälter 31 abgeführt wird. In die Leitung 29 ist ein Ventil 32 geschaltet. Aus dem Entspannungsbehälter 31 wird das Wasser unter atmosphärischem Druck über eine Leitung 33 abgeführt.

[0022] Mit zunehmender Beheizung der Heizflächen des Dampferzeugers 1 durch das Rauchgas RG steigen die Dampfentwicklung sowie der Druck im Trennbehälter 30 an. Gleichzeitig wird dort die anfallende Wassermenge kleiner. Das im Trennbehälter 30 anfallende Wasser wird nun ganz oder teilweise über eine Leitung 34, in die ein Ventil 35 geschaltet ist, in den Speisewasserbehälter 6 zurückgefördert. Wenn die Beheizung und die Wassermenge im vorgegebenen Gleichgewicht sind, fällt im Trennbehälter 30 kein Wasser mehr an.

[0023] Im Teillastbereich der Anlage wird das dem Economizer 28 und den Verdampfern 22 und 24 zuströmende vorgewärmte und unter hohem Druck stehende Wasser W durch Wärmetausch mit dem kondensierten Wasser K, mindestens einem Teilstrom t₁ des kondensierten Wassers K, gekühlt. Dazu ist ein Wärmetauscher 40 vorgesehen, der einerseits in der Leitung 23 und andererseits in einer Teilstromleitung 41 der Kondensatleitung 4 liegt. Die Teilstromleitung 41 ist sowohl eingangsseitig über das Drei-Wege-Ventil 7 als auch ausgangsseitig mit der Kondensatleitung 4 verbunden. Der Wärmetauscher 40 ist somit primärseitig dem Kondensatvorwärmer 3 nachgeschaltet und sekundärseitig dem Kondensatvorwärmer 3 vorgeschaltet.

[0024] Zum Einstellen der Temperatur T₃ des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers W wird der Teilstrom t₁ des kondensierten Wassers K geregelt. Dazu ist das Drei-Wege-Ventil 7 mit einer Regeleinrichtung 43 verbunden. Die Regeleinrichtung 43 ist über Anschlüsse 44 und 45 mit Temperatursensoren 46 bzw. 47 verbunden. Mit dem Temperatursensor 46 wird die Temperatur T₁ des in den Verdampfer 22 eintretenden Wassers ermittelt. Mit dem Temperatursensor 47 wird die Temperatur T₂ des aus dem Verdampfer 22 abströmenden Dampfes oder Wasser-Dampf-Gemisches ermittelt. Die in der Regeleinrichtung 43 ermittelte Differenz aus diesen beiden Temperaturen T₁ und T₂ dient als Regelgröße zum Einstellen des Drei-Wege-Ventils 7 und damit des Teilstroms t₁. Dabei wird beachtet, daß die Temperatur T₃ des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers W derart eingestellt ist, daß sie bei Eintritt des Wassers in den Verdampfer 22 nur wenig aber doch sicher unterhalb der Siedetemperatur liegt.

[0025] Um eine zusätzliche Erwärmung des kondensierten Wassers K zu erreichen, wird diesem ein einstellbarer Teilstrom t₂ des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers W zugemischt. Dazu ist ausgangsseitig an die Hochdruck-Pumpe 21 eine Leitung 50 angeschlossen, die mit der Kondensatleitung 4 verbunden ist. In die Leitung 50 ist ein Ventil 51 geschaltet.

[0026] Durch den Wärmetausch zwischen dem vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers W und dem Teilstrom t₁ des kondensierten Wassers K innerhalb des Wärmetauschers 40 wird auch im Teillastbereich der Anlage eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Eintritt des Verdampfers 22 erreicht. Dies wiederum wirkt sich besonders vorteilhaft auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage aus.

[0027] Die Heizflächen des Dampferzeugers 1 sind üblicherweise jeweils aus Rohrbündeln mit einer Vielzahl von Einzelrohren ausgebildet. Um den Dampferzeuger 1 in einfacher Weise vor Ort aus einzelnen Modulen aufbauen zu können, münden die Rohre der einzelnen Heizflächen sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig in Sammelbehältern, die in der Zeichnung an den Eingängen und Ausgängen der Heizflächen durch Kreise dargestellt sind. Beim Zusammenbau des Dampferzeugers 1 und beim Aufbau der gesamten Anlage werden die Sammelbehälter entsprechend der jeweils vorgegebenen Schaltung über Verbindungsrohre miteinander verbunden und in den Wasser-Dampf-Kreislauf 18 geschaltet. Dadurch ist es möglich, je nach Bedarf verschiedene Module mit unterschiedlichen Heizflächen zusammenzusetzen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Dampferzeugung, insbesondere in einem fossil befeuerten Kraftwerk, zum Beispiel in einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem aus Wasser durch indirekten Wärmetausch mit heißem Rauchgas (RG) Dampf erzeugt wird, wobei kondensiertes Wasser (K) zunächst vorgewärmt und anschließend das vorgewärmte Wasser (W) unter hohem Druck verdampft wird,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Teillastbereich das vorgewärmte und bereits unter hohem Druck stehende Wasser (W) durch Wärmetausch mit mindestens einem Teilstrom (t₁) des kondensierten Wassers (K) gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T₁) des Wassers vor der Verdampfung und die Temperatur (T₂) des Dampfes ermittelt werden, und daß die Differenz dieser Temperaturen (T₁, T₂) als Größe zum Einstellen des Teilstroms (t₁) dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem kondensierten Wasser (K) ein Teilstrom (t₂) des vorgewärmten und unter hohem Druck stehenden Wassers (W) zugemischt wird.

4. Anlage zur Dampferzeugung mit einem von heißem Rauchgas (RG) durchströmten Dampferzeuger (1), dessen eine Heizfläche ein Kondensatvorwärmer (3) ist, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (40), der primärseitig dem Kondensatvorwärmer (3) nachgeschaltet und sekundärseitig dem Kondensatvorwärmer (3) vorgeschaltet ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dessen andere Heizfläche ein Hochdruck-Verdampfer (22) ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zuströmseite und auf der Abströmseite des Hochdruck-Verdampfers (22) jeweils ein Temperatursensor (46 bzw. 47) vorgesehen ist, die über eine Regeleinrichtung (43) mit einem in eine Kondensatleitung (4) geschalteten Ventil (7) verbunden sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hochdruck-Verdampfer (22) ein weiterer Verdampfer (24) nachgeschaltet ist, wobei im Dampferzeuger (1) der weitere Verdampfer (24) in Strömungsrichtung des Rauchgases (RG) vor dem Hochdruck-Verdampfer (22) angeordnet ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (40) sekundärseitig in einer Teilstromleitung (41) liegt, die ein Bypass zur Kondensatleitung (4) ist.

8. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Anlage zur Dampferzeugung nach einem der Ansprüche 4 bis 7.

Zeichnung