DE3229344A1

DE3229344A1 - Dampf-kraftwerks-anlage zur bestromung eines elektrischen versorgungsnetzes

Info

Publication number: DE3229344A1
Application number: DE19823229344
Authority: DE
Inventors: Lucien Y. Rehovot Bronicki
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1981-08-07
Filing date: 1982-08-06
Publication date: 1983-03-17
Also published as: MX156374A; IT8248951A0; IT1149043B; IL66481A0; US4428190A; FR2511210B1; GB2102889B; JPH0436244B2; PH20057A; GB2102889A; FR2511210A1; JPS6026107A; NL8203126A

Description

DR. ING. HANS LICHTI · DIPL.-INC. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. JOST LEMPERT PATE NTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 41 ICRÖTZINCENI · DURLACHER STR. Si (HOCHHAUS)

TELEFON <072l) 48511

05. August 1982 6461/82-Ls

Ormat Turbines, Ltd.
Yavne / Israel

Dampf-Kraftwerks-AnIage zur Bestromung eines elektrischen Versorgungsnetzes

Die Erfindung betrifft eine Dampf-Kraftwerks-Anlage zur Bestromung eines elektrischen Versorgungsnetzes, mit mehrstufigen Turbinen, bei denen der Ausgang der ersten Stufe den Eingang der nächstfolgenden Stufe bildet.

I η vielen Dampf-Kraftwerks-Anlagen des erwähnten Typus wird zyklisch auftretenden elektrischen Belastungen begegnet entweder durch Steuerung der Dampferzeugung im Kessel, oder aber durch Steuerung des Eingangs-Dampfdrucks in die Turbinenstufen. Wenn die elektrische Belastung des Kraftwerkes seiner planungsgemäßen Ausgangsleistung gleich ist, erzeugt der Dampfkessel Dampf entsprechend seiner Nennleistung unter festgesetzten Bedingungen der Temperatur, des Druckes und der Dampfmenge. Wenn andererseits die elektrische Belastung des Kraftwerks unter die veranschlagten

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Werte absinkt, muß die Leistungsabgabe der Turbine herabgesetzt werden. Da nun bei planungsgemäß vorausgesetzter Belastung die Spitzenleistung der Turbine abgegeben wird, beeinflußt jede Steuerungs maßnahme in Richtung geringerer als der vorausberechneten Leistung die Kosten der von dem Kraftwerk erzeugten Energie in nachteiligem Sinne. Darüber hinaus bewirkt jede Annäherung an eine Herabsetzung der Turbinenleistung weitere Leistungsminderungen in dem Gesamtsystem. Demgemäß hat die Senkung des Eingangs drucks in die Turbine durch Drosselung, mit dem Ziel die Ausgangsleistung der Turbine zu verringern, einen irreversiblen Prozeß erhöhten Ölverbrauches zur Folge; auch der Betrieb des Kessels bei niedrigeren als den planungsgemäßen Bedingungen, um die Dampfmenge zu senken, bewirkt ebenfalls eine geringere Ausnutzung des Heizmaterials.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine neue Dampf-Kraftwerks-Anlage und eine Betriebsweise für diese vorzuschlagen, bei der die beschriebenen Mangel beseitigt oder mindestens stark vermindert sind.

In einer Kraftwerks-An I age gemäß der Erfindung wird ein Dampfkessel so betrieben, daß er eine planungsgemäß festgelegte Menge Hochdruck-Dampf bei vorbestimmten Bedingungen der Temperatur und des Druckes erzeugt und an eine Turbine mit einer Hochdruckstufe abgibt, die mindestens eine Niederdruckstufe besitzt, welche mit dem Abdampf aus der Hochdruckstufe betrieben wird. Ein von der Dampfturbine betriebenerHauptgeneratur erzeugt und liefert elektrische Energie für wechselnde Belastungen. Wenn die Belastung unter den geplanten Wert absinkt, wird zwar der Dampfkessel betrieb

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unverändert beibehalten, aber der von der Hochdruckstufe der Turbine abgegebene Niederdruckdampf wird vor der Niederdruckstufe zu einem Wärmespeicher abgezweigt, der z. B. eine Wassermenge mit genügender Speicherfähigkeit sein kann, um die in dem Niederdruckdampf enthaltene Wärme während des Zeitraumes, währenddessen das Kraftwerk mit verminderter Leistung arbeitet,aufzunehmen und zu speichern. Ein Abwärme-Konverter mit eigenem Generator spricht auf di· in dem Wärmespeicher angesammelte Wärme nj©drig#r Temperatur an und kann wahlweise zur Stromerzeugung betrieben werden, z. B. zusätzlich zur Grundlast, um die Stromerzeugung des Kraftwerks zu ergänzen. Die Stromabgabe des Abwärmekonverters kann für Spitzenbelastungen benutzt werden, ebenso wie zur Bereitstellung von Energie auf niedrigerem Niveau während Stillstandszeiten des Dampfkraftwerks. Darüber hinaus arbeiten der Dampfkessel und die Hochdruckstufe der Trubine im Betrieb stets mit ihrer Nennleistung, was eine beträchtliche Minderung der Heizölkosten einer Anlage gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen Kraftwerksanlage gleicher Größe zur Folge hat. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der be !gegebenen Zeichnung dargestellt. In dieser zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm einer Kraftwerksanlage, an der die Erfindung verwirklicht ist;

Figur 2 A - D Zeitdiagramme die die Veränderungen der Belastung und die Betriebsweise des Dampfkessels und des Abwärme-Konverters zeigen.

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I η Figur 1 der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 10 insgesamt eine Dampf-Kraftwerks-AnIage nach der Erfindung, innerhalb deren ein Dampfkraftwerk der eingangs bezeichneten Type darstellt, die erfindungsgemäß durch einen Abwärme-Konverter 12 und einen Wärmespeicher 22 erweitert bzw. ergänzt ist. Das Dampfkraftwerk 11 umfaßt einen herkömmlichen Dampfkessel 13, eine Mehrstufen-Dampfturbine 14, die einen Generator 15 antreibt, welcher elektrischen Strom in ein Versorgungsnetz (nicht eingezeichnet) einspeist, einen Kondensator 16 und eine Speisepumpe 17. Die dem Dampfkessel 13 zugeführte Wärme ermöglicht die Erzeugung von Hochdruckdampf für die Hochdruckstufe 18 der Turbine, deren Abdampf über Ventil 19 der Niederdruckstufe 20 zugeführt wird, welche ihrerseits ihren Abdampf in den Kondensator 16 entläßt. Durch eine Austauscher-Rohrschlange 21 zugeführtes Kühlwasser kühlt den Abdampf aus der Niederdruckstufe und das anfallende flüssige Wasser wird mittels der Pumpe 17 in den Dampfkessel zurückgeführt, womit der Kreislauf geschlossen ist.

Wenn dem Dampfkessel eine bestimmte Wärmemenge als Nennleistung zugeführt wird, wird er eine bestimmte Dampfmenge von bestimmter Temperatur und bestimmten Druck als Nennleistung erzeugen ; das Kraftwerk 11 arbeitet dann so, daß der Generator 15 eine bestimmte Energiemenge in das Versorgungsnetz einspeist, das von dem Kraftwerk beliefert wird. Bei diesen Gegebenheiten arbeitet die Turbine 14 unter Planungsbedingungen und ihr Wirkungsgrad, ebenso wie die Leistung der gesamten Kraftwerksanlage, wird optimal sein. Falls die von dem Generator 15 geforderte Stromleistung unter den planungsgemäß vorgesehenen Nennwert absinkt, ist die übliche Methode die, die Leistung der Turbine 14 zu reduzieren, die Dampfzufuhr zu der Hochdruckstufe zu drosseln und vielleicht auch die Dampfzuführung zur Niederdruckstufe

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zu vermindern. Das bewirkt zwar eine Herabsetzung der Turbinenleistung, jedoch auch eine Verschlechterung ihres Nutzeffektes. Zusätzlich zu diesem durch die Minderung des Nutzeffektes der Turbine verursachten Verlustes beim Arbeiten unter anderen als den planungsgemäßen Bedingungen verkörpert die Drosselung der Dampfzufuhr in der Dampfleitung einen irreversiblen Prozeß der Leistungsminderung der Kraftwerksanlage. Als Folge ergibt sich daraus, daß der Brennstoff anteil der Gestehungskosten der von dem Kraftwerk erzeugten elektrischen Energie jeweils ansteigt, wenn das System Cj&er oder unter der planungsgemäßen Nennleistung arbeitet.

Um dieser Leistungsminderung bei einer Arbeitsweise unter von den Planungsvoraussetzungen abweichenden Bedingungen Herr zu werden, sind in die Anlage 11 der Abwärme-Konverter 12 und der Wärmespeicher 22 einbezogen. Der Wärmespeicher kann ein großes Wasservolumen sein, das erhitzt wird, wenn das gesondert zu bedienende by pass-Ventil von der Niederdruckstufe 20 zum Wärmespeicher 22 umgeschaltet wird. Das ist der Fall, wenn das Ventil 19 den von der Hochdruckstufe 18 ausströmenden Niederdruckdampf von der Niederdruckstufe 20 zu dem Wärmespeicher 22 abzweigt, wobei die im Nieder druckdampf enthaltene Wärme auf das im Wärmespeicher befindliche Wasser übertragen wird, anstatt in der Niederdruckstufe in elektrische Energie umgewandelt zu werden.

Falls erwünscht,kann die Betätigung des Ventils 19 automatisiert werden. In solchem Fall kann ein für die Abgabe des Generators 15 verantwortlicher Lastfühler (nicht dargestellt), ein Steuersignal geben, das das Ventil 19 veranlaßt, den Dampfstrom von der Niederdruckstufe 20 zum Wärmespeicher 22 umzusteuern, um eine entsprechende Leistungsverminderung der Kraftwerksanalge zu bewirken.

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Das durch die wahlweise Betätigung des by pass-Ventiles 19 dem Wärmespeicher zugeführte Kondenswasser wird dem Wärmespeicher über die mit einem Mischventil 24 verbundene Leitung 23 unter Wirkung der Speisepumpe 17 entnommen und dadurch der Wasserzufluß zum Dampfkessel 13 aufrechterhalten. Auf diese Weise können sowohl die Hochdruckstufe 18, als auch der Dampfkessel 13 mit ihrer planungsgemäßen Nennleistung weiterbetrieben werden, wodurch der Wirkungsgrad dieser beiden Anlagenteile maximiert bleibt. Die in der Turbine nicht benötigte Wärme wird auf diese Weise im Speicher 22 angesammelt.

Die vorstehend skizzierten Verhältnisse sind in Figur 2 veranschaulicht, worin die Kurve (A) die zeitliche Veränderung der Belastung während einer typischen 24-Stunden-Periode darstellt, wobei bemerkt sei, daß die Kurve (A) nur beispielgebend sein soll für eine typische Belastungskurve eines Versorgungsnetzes. In der dargestellten Situation soll das Kraftwerk 10 die planungsgemäße elektrische Leistung während etwa zwei Stunden von 10 Uhr vormittags bis ungefähr 12 Uhr mittags zur Verfugung stellen; sodann soll das KriftWfer'k während der nächsten zehn Stunden wenige? Öl!S «jli planungsgemäße Leistung liefern. Unter der Annahme, daß die während des Intervalls von mittags bis 22 Uhr abends von dem Kraftwerk bereitzustellende Leistung der Leistungsabgabe der Hochdruckstufe 18 der Turbine 14 gleichkommt, wird die vom Dampfkessel 13 erzeugte Überschußwärme über den by pass 19 zu dem Wärmespeicher 22 abgeleitet, anstatt in der Niederdruckstufe 20 in elektrische Arbeit umgewandelt zu werden. Auf diese Weise können während der nächsten zehn Stunden der Dampfkessel 13 und die Hochdruckstufe 18 der Turbine mit ihrem besten Wirkungsgrad weiterarbeiten.

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Um ungefähr 22 Uhr abends, wenn die von dem Kraftwerk zu liefernde Strommenge auf ihren tiefsten Stand absinkt, welcher in der Darstellung der Figur 2 der Leistung des Abwärmegenerators 25 gleichkommt, wird der Betrieb des Dampfkessels 13 stillgelegt und der Abwar me-Konverter 12 wird in Betrieb genommen.

Wie in Figur 1 gezeigt, umfaßt der Abwärme-Konverter 12 ein geschlossenes mit einem organischen Fluidum betriebenes Rankine-KreisIauf-Kraftwerk 2 in Form eines Verdampfers 27, einer Turbine für ein organisches Fluidum und einen Kondensator 29. Zur Einleitung des Betriebes des Abwärme-Konverters 12 wird die Pumpe P in Betrieb genommen, um heißes Wasser aus dem Wärmespeicher 22 über eine als Wärmeaustauscher dienende Rohrschlange dem Verdampfer 27 zuzuführen. Eine organische Flüssigkeit, wie z. B. Freon oder dgl., das im Verdampfer 27 enthalten ist, wird durch das warme Wasser in Dampf verwandelt, der durch den Einlaß der Turbine 28 eintritt und den Generator 25 in herkömmlicher Weise antreibt. Der aus der Turbine 28 ausströmende Dampf wird dem Kondensator 29 zugeführt, wo er durch mittels Rohrschlange 31 zugeführtem Kühlwasser kondensiert und durch die Speisepumpe 32 dem Verdampfer 27 zur Vervollständigung des Kreislaufes wieder zugeführt wird.

Wegen des Betriebs des Dampfkessels 13 während des Zeitraums des Fahrens der Anlage unterhalb der planungsgemäßen Voraussetzungen wird genügend Wärme im Wärmespeicher gesammelt, um den Abwärmekonverter ungefähr von 22 Uhr abends bis 6 Uhr am Morgen des nächsten Tages in Betrieb zu halten, und die Anforderungen an das

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Versorgungsnetz über die Leistung des Generators 25 zu befriedigen. Um ungefähr 6 Uhr morgens wird der Betrieb des Abwar me-Konverters 12 durch Abstellung der Pumpe P und Umstellung des Ventils derart, daß der Abdampf der Hochdruckstufe 18 zum Einlaß der Niederdruckstufe 20 freigegeben wird, stillgelegt. Zur gleichen Zeit wird die Kraftwerksanlage 11 wieder auf die Arbeitsbedingungen der Wärmeerzeugung im Dampfkessel 13 eingestellt. In dieser Weise wird nun die Erzeugung der von der Kraftwerksanlage 10 gelieferten Energie vom Generator 25 auf den Generator 15 übertragen und die planungsgemäße Belastung wird nun wieder von dem Dampfkraftwerk erzeugt.

Wie in Figur 2 zu sehen, tritt ungefähr um 20 Uhr abends eine Spitzenbelastung des Versorgungsnetzes ein; während dieser Spitzenlast-Dauer wird der Abwärme-Konverter wieder angefahren, so daß nun die Generatoren 15 und 25 gleichzeitig elektrische Energie in das Netz einspeisen.

Kurve (B) in Figur 2 zeigt die Periode, in der der Abwärme-Konverter in Betrieb ist, während die Kurve (C) die Betriebsperiode der Hochdruckstufe der Turbine 18 zeigt. Schließlich zeigt die Kurve (D) den Zfeitraum, währenddessen die Niederdruckstufe der Turbine in Betrieb ist. Das Resultat des Betriebes des Abwärme-Konverters und des Betriebes der beiden Stufen der Mehrstufen-Turbine 14 ergibt die Last-Charakteristik wie sie in Kurve (A) in Figur 2 angezeigt ist.

Der Wärmespeicher 22 kann ein offener Wassertank sein, der so ausgebildet ist, daß der Niederdruckdampf aus der Hochdruckstufe in direkten Kontakt mit dem Wasser im Wärmespeicher gebracht wird.

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Es kann jedoch auch eine andere Speicherflüssigkeit als Wasser verwendet werden, und die Wärme kann aus dem Niederdruckdampf in die Wärmespeicherflüssigkeit über einen geeigneten Wärmeaustauscher (nicht dargestellt) eingebracht werden.

Obwohl in Figur 1 ein geschlossenes Kraftwerk mit Rankine-Kreislauf auf der Basis einer organischen Flüssigkeit dargestellt ist, können auch andere Typen von Kraftwerken benutzt werden. Beispielsweise könnte eine Niederdruck-Dampfturbine als Teil d.ea Abwäjpme-Konverters benutzt werden; in solchem Fall könnte der Verdampfer ein SchneiIverdampfer sein, dem aus dem Wärmespeicher 22 Wasser zur sofortigen Umwandlung in Dampf zugeführt wird, der dann in eine den Generator 25 antreibende Dampfturbine eingeführt wird.

Die Verbesserung der Arbeitsergebnisse eines Kraftwerks und die anderweitig nach dem Verfahren und der Anlage gemäß der Erfindung zu erzielenden Vorteile sind in der vorangehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ausreichend verdeutlicht. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Grundgedanke und der allgemeine Rahmen der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist, verlassen wird.

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Claims

DR. ING. HANS LICHT!"*· DI PL."ING. HEIN1E-R LICHTI DIPL.-PHYS. DR. JOST LEMPERT PATENTANWÄLTE D-7S0O KARLSRUHE 41 (GROTZINGEN) · DURLACHER 8TR. SI (HOCHHAUS) TELEFON (O72I) 485Π 05. August 1982 6461/82-Ls Ormat Turbines, Ltd. Yavne / Israel Patentansprüche

1./ Dampf-Kraftwerks-Anlage zur Bestromung eines elektrischen

Versorgungsnetzes, mit einem Dampfkessel zur Erzeugung einer planungsgemäßen Dampf-Nennleistung unter festgesetzten Temperatur- und Druckverhältnissen und deren Abgabe an eine Mehrstufen-Dampfturbine zum Antrieb eines Generators, der bedarfsgemäß wechselnde Strommengen erzeugt, gekennzeichnet durch

einen im Bedarfsfall bei Absinken der Leistungsentnahme aus dem Netz unter die planungsgemäße Nennleistung des Hauptgenerators (15) zu betätigenden by pass (19) an mindestens einer Zwischenstufe der Dampfturbine (14) zum wahl weisen Abzweigen von Dampf verminderter Spannung und Einführen in einen Wärmespeicher (22) unter unverminderter Fortsetzung der Erzeugung des Dampfkessels (13) in der vorgesehenen Nennleistung und Abgabe des Dampfes an die Turbine (14) unabhängig von der Netzbelastung,
und durch

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einen mit der Wärme niedriger Temperatur aus dem Wärmespeicher (22) betreibbaren Abdampf-Konverter (12) zur Umwandlung der Wärme in elektrische Energie und deren Einspeisen in das Netz zur Ergänzung der wechselnden Netzbelastung.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß der Abwärme-Konverter (12) ein Sonder-Kraftwerk mit einem in sich geschlossenen Rankine-Kreislauf für eine organische Flüssigkeit, sowie einer eigenen Turbine (28) und einem eigenen Generator (25) ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der by pass (19) mit Mitteln zur selbsttätigen Steuerung des Niederdruckdampfes wahlweise zur Niederdruckstufe (20) oder zum Wärmespeicher (22) in Abhängigkeit von der Belastung des Stromnetzes versehen ist.

4. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher eine Wassermenge ist.

5. Dampf-Kraftwerks-AnIage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) einen Dampfkessel (12) zur Erzeugung einer Nennleistung an Hochdruckdampf unter festgesetzten Druck- und Temperatur-Voraussetzungen und deren Abgabe an eine Dampfturbine (14) mit einer Hochdruckstufe (18) und mindestens einer mit dem der Hochdruckstufe entströmenden Dampf betreibbaren Niederdruckstufe;

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b) einen durch die Dampfturbine (14) angetriebenen Generator (15) zur Lieferung elektrischer Energie bei wechselnder Netzbelastung;

c) einen Wärmespeicher (22) zur Aufnahme von Wärme aus dem N iederdruckdampf;

d) Betätigungsmittel (19) zum wahlweisen Abzweigen von Niederdruckdampf zu dem Wärmespeicher;

e) ein auf die Wärme niedriger Temperatur des Wärmespeichers (22) ansprechender Abwärme-Konverter (12) zur Umwandlung der Wärme in elektrische Energie und deren Abgabe in das Netz nach Maßgabe der wechselnden Netzbelastung.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abwärme-Konverter ein mit einer organischen Flüssigkeit in einem Rank ine-Kreislauf betriebenes Sonder kraftwerk ist.

7. Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet durch Mittel zur Überwachung der Netzbelastung und zur selbsttätigen Steuerung der Mittel (19) zur wahlweisen Ableitung des Niederdruckdampfes zum Wärmespeicher (22) in Abhängigkeit von der Höhe der Netzbelastung.

8. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einer dampfbetriebenen Energieerzeugungsanlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

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a) Erzeugung einer planungsgemäßen Dampfmenge in Höhe der Nennleistung, unabhängig von der Netzbe-I astung;

b) Abgabe der gesamten Dampfleistung an eine mehrstufige Dampfturbine;

c) wahlweise Ableitung von Dampf aus mindestens einer Zwischenstufe der Dampfturbine zu einem Wärmespeicher;

d) wahlweise Inbetriebnahme eines Abwärme-Konverters zur Stromerzeugung unter Verwendung der Abwärme des Wärmespeichers.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf

aus der Zwischenstufe der Dampfturbine zum Wärmespeicher nach Maßgabe der Netzbelastung abgeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der

Abwärme-Konverter bei die planungsgemäße Nennleistung der Mehrstufen-Turbine überschreitender Netzbelastung zusätzlich in Betrieb genommen wird.