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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage zur Reinigung von Kondensat aus dem Abgas eines Dampfturbinenprozesses.
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Dampfkraftwerke gehören zur vorherrschenden Bauart der Kraftwerke zur Stromerzeugung. An die Wasserqualität des Kesselspeisewassers des Wasserkreislaufs solcher Kraftwerke werden hohe Anforderungen gestellt. Beim Verdampfen des Kesselspeisewassers zu Dampf wird je nach Bauart auf heißen Oberflächen flüssiges Wasser komplett in die Gasphase überführt. Sämtliche nichtflüchtige Kesselspeisewasserkomponenten werden dabei auf dieser heißen Oberfläche abgelagert. Nachteiligerweise behindern diese Ablagerungen den Wärmeübergang oder führen zum mechanischen Ausfall von beispielsweise Ventilen. Weiterhin führen viele anorganische Inhaltsstoffe im Kesselspeisewasser dazu, dass die Korrosionsneigung der Bauteile im Wasserdampfkreislauf noch weiter zunimmt. Dies kann zu Spannungsrissen in Bauteilen, insbesondere Bauteilen aus Stahl, führen.
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Zur Minderung der korrosiven Eigenschaften von Wasser bzw. Wasserdampf in Wasserdampfkreisläufen existieren verschiedene Verfahren der Konditionierung. Hierzu zählen vor allem die Alkalisierung des Wassers und die Sauerstoffdosierung. Sowohl ein erhöhter pH-Wert als auch eine erhöhte Redoxspannung führen zu einer verminderten Löslichkeit von Eisenoxid. Allerdings kann eine Alkalisierung mit festen Alkalisierungsmitteln nachteiligerweise nicht in Durchlauferhitzern angewandt werden, da hier das Wasser vollständig verdampft wird und somit Ablagerungen auftreten würden. Daher wird in diesem Fall häufig Ammoniak als flüchtiges Alkalisierungsmittel eingesetzt.
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Zur Reinigung des Kesselspeisewassers von Verunreinigungen sind unterschiedliche Aufbereitungsverfahren bekannt. Diese Verfahren basieren in der Regel auf Ionenaustausch. Ionenaustauschprozesse können allerdings auch als Kontaminationsquelle auftreten. Abbauprodukte des Harzmaterials können sich auf trockenen Oberflächen verschiedener Bauteile im Wärmedampfkreislauf nachteilerweise ablagern. Weiterhin kann die Reinigung des Kesselspeisewassers mit einem Umkehrosmoseprozess bewerkstelligt werden. Bei der Umkehrosmose jedoch führen hohe Belastungen des Rohwassers nachteilig zu einem erniedrigten Flux bei der Umkehrosmose. Des Weiteren sind die bekannten Verfahren sehr energieintensiv.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Wasseraufbereitung für einen Wasserdampfkreislauf anzugeben, welche die genannten Nachteile überwinden.
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Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 und mittels einer Anordnung gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird Wasserdampf aus einer Dampfturbinenanlage in einem ersten Kondensator zu Rohwasser kondensiert. Wenigstens ein Anteil des Rohwassers wird mit einem Trägergas in einen Verdunster gegeben, wobei in dem Verdunster zwischen Rohwasser und dem Trägergas ein Stoff- und ein Wärmeübergang stattfinden. Das Rohwasser und das Trägergas werden in dem Verdunster im Gegenstrom geführt. Dabei erwärmt sich das Trägergas in dem Verdunster und reines Wasser wird aus dem Rohwasser von dem Trägergas aufgenommen. Das Rohwasser kühlt ab und die Verunreinigungen, insbesondere die schwer flüchtigen Verunreinigungen, konzentrieren sich in dem Rohwasser auf. Das Rohwasser mit den aufkonzentrierten Verunreinigungen wird nach dem Verdunster in einem Tank gesammelt. Das mit reinem Wasser beladene Trägergas wird in einen zweiten Kondensator geführt. In dem zweiten Kondensator wird das gereinigte Wasser aus dem Trägergas kondensiert, wobei der zweite Kondensator mit Rohwasser aus dem Tank gekühlt wird. Das gereinigte Wasser wird anschließend in einen Wasserdampfkreislauf zurückgeführt. Das im zweiten Kondensator vorgewärmte Rohwasser wird zu einem ersten Heizer geführt, wobei Wärme aus der Dampfturbinenanlage oder dem Wasserdampfkreislauf an das vorgewärmte Rohwasser übergeht. Das vorgewärmte Rohwasser wird danach aus dem Heizer in den Verdunster geführt.
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Die Anordnung zum Betrieb einer Dampfturbinenanlage in Kombination mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage umfasst einen ersten Kondensator zum Kondensieren von Wasserdampf aus der Dampfturbinenanlage zu Rohwasser. Weiterhin umfasst sie einen Verdunster zum Betrieb mit Rohwasser und einem Trägergas, wobei in dem Verdunster Stoff- und Wärmeübertragung stattfindet. Weiterhin umfasst die Anordnung einen Tank zum Auffangen des mit Verunreinigungen aufkonzentrierten Rohwassers. Die Anordnung umfasst weiterhin einen zweiten Kondensator zum Kondensieren des reinen Wassers aus dem Trägergas nach dem Verdunster. Die Anordnung umfasst auch wenigstens eine Dampfturbine zum Betrieb mit wenigstens einem Anteil des gereinigten Wassers.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung nutzen vorteilhafterweise sowohl Wärme aus dem Dampfturbinenprozess und dem Wasserdampfkreislauf, insbesondere dem Dampferzeuger, als auch Komponenten des Abgases der Dampfturbine, insbesondere den Wasserdampf. Die Verdunstung des Rohwassers aus dem Abgas der Dampfturbine arbeitet nach dem Prinzip der erzwungenen Konvektion. Der Rohwasser gekühlte zweite Kondensator sorgt vorteilhaft für die Rückgewinnung der Verdunstungswärme. Das Wasser und das Trägergas werden vorteilhaft im Gegenstrom durch den Verdunster geführt. Die Temperatur des Trägergases steigt dabei während des Gegenstromprozesses an, während die Temperatur des Rohwassers sinkt. Auf einer Höhe bzw. einer Trennstufe des Verdunsters ist die Lufttemperatur niedriger als die Temperatur des Rohwassers. Vorteilhafterweise wird durch die Kopplung der Wärmeströme ein geringer elektrischer Energiebedarf und geringe sonstige Betriebskosten des Reinigungsprozesses des Kesselspeisewassers der Dampfturbine erreicht. Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, unabhängig von der Qualität des Rohwassers, als Produkt voll entsalztes Wasser, welches von schwer flüchtigen Komponenten gereinigt wurde, mit gleichbleibender Produktqualität zu erhalten. Vorteilhaft muss Wärme lediglich bei niedrigem Temperaturniveau bereitgestellt werden. Die Wasseraufbereitung kommt nahezu ohne zusätzlichen elektrischen Energieeintrag aus. Die erforderliche thermische Energie wird vorteilhaft der Dampfturbinenanlage oder dem Wasserdampfkreislauf entnommen. Der Wasserdampfkreislauf umfasst typischerweise wenigstens einen Dampferzeuer, mehrere Kondensatoren und Heizer.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Rohwasser Ammoniak als Konditionierungsmittel für das Kesselspeisewasser für den Dampfturbinenprozess. Weiterhin wird der pH-Wert des Rohwassers vor dem Verdunster derart sauer eingestellt, dass das Ammoniak im Verdunster im Rohwasser verbleibt. Ammoniak für sich gesehen ist eine leicht flüchtige Komponente. Ammoniak in Wasser kann derart konditioniert werden, dass das Ammoniak als Ammonium-Ion vorliegt. Dies ist für niedrige pH-Werte von wenigstens einer pH-Einheit unterhalb des pKs-Wertes von Ammoniak von 9,2 der Fall. Liegt Ammoniak in Wasser hydrolysiert als Ammonium-Ion vor, verliert es seine Flüchtigkeit. Dadurch kann es im Verdunster abgetrennt werden, da es nicht in die Gasphase übergeht.
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Es ist ebenso denkbar, dass Ammoniak in dem Wasser auch nach der Reinigung vorliegen soll, um die Korrosionseigenschaften des Wassers zu beeinflussen. In dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der pH-Wert derart hoch gewählt, dass er oberhalb des pKs-Wertes vom Ammoniak liegt, so dass dieses leichtflüchtig ist und mit in das Trägergas übergeht und so mit dem gereinigten Wasser im Kondensator wiedergewonnen werden kann. In diesem Fall steht bereits konditioniertes Wasser als Kesselspeisewasser zu Verfügung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird in den Tank frisches Rohwasser hinzugegeben. Dieses Rohwasser ist insbesondere Wasser aus dem Kondensat des Abgases der Dampfturbine. Das Rohwasser kann auch Flusswasser, Meerwasser oder Abwasser sein oder aus einer weiteren Wasserquelle stammen. Durch den Prozess der Verdunstung ist es möglich, auch stark verschmutztes Abwasser zu verwenden. Je nach Menge des Rohwassers, welches aus dem Kondensat des Abgases der Dampfturbine anfällt, kann so noch weiteres Wasser dem Prozess zugeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Temperatur des Rohwassers im Verdunster von 60°C bis 100°C. Durch dieses niedrige Temperaturniveau ist es vorteilhaft möglich, das Rohwasser lediglich mittels der Abwärme des Wasserdampfkreislaufs, insbesondere des Dampferzeugers, oder des Abgases der Dampfturbine zu erhitzen. Dies ist vorteilhaft sehr energiesparend.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Heizer mit der Wärme des Abgases eines Dampferzeugers des Dampfturbinenprozesses betrieben. Die Wasseraufbereitung kommt somit vorteilhaft nahezu ohne zusätzlichen elektrischen Energieeintrag aus. Die benötigte thermische Energie wird vorteilhaft vollständig aus dem Wasserdampfkreislauf oder dem Abgas des Dampfturbinenprozesses entnommen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdunster ein Fallfilmverdunster oder ein Rieselstromverdunster. Bei diesen Verdunsterausführungen ist vorteilhaft die Grenzfläche zwischen dem Trägergas, insbesondere Luft, und dem Rohwasser besonders groß, um Stoff- und Wärmeübergang zu ermöglichen. Typischerweise wird das Trägergas von unten nach oben, das Rohwasser von oben nach unten geführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Anordnung mit einem Wasserdampfkreislauf, Turbine, Kondensatoren und thermischer Wasseraufbereitung;
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2 eine thermische Wasseraufbereitungsanordnung mit Verdunster und Kondensator.
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1 zeigt einen eine Anordnung 1 mit einer Kopplung des Dampfturbinenkraftwerks mit der thermischen Wasseraufbereitungsanordnung 5. Exemplarisch ist in 1 nur eine Turbinenstufe 2 dargestellt. Der Dampferzeuger 4 erzeugt mit Hilfe von Wärmezufuhr 12, typischerweise einer externen Wärmequelle, Frischdampf 7 aus Kesselspeisewasser 14. Der Frischdampf 7 wird anschließend in die Turbine 2 zur Stromerzeugung geleitet. Das Abgas 6, welches bei der Dampferzeugung 4 entsteht wird zu einem Heizer 15 geleitet, welcher das Rohwasser 10 der thermischen Wasseraufbereitungsanordnung 5 erwärmt. Der Dampf 8 verlässt die Turbine 2 und wird anschließend in einem ersten Kondensator 3 zu Kondensat 9 kondensiert. Ein Teil dieses Kondensats 9 wird als Rohwasser 10 in die thermische Wasseraufbereitung 5 geleitet. Es ist ebenso möglich, das gesamte Kondensat 9 in die thermische Wasseraufbereitung 5 zu führen. Zur thermischen Wasseraufbereitung 5 kann zusätzlich frisches Rohwasser 11 aus einer anderen externen Quelle hinzugefügt werden. Dies kann beispielsweise Meer- oder Flusswasser sein. Nach der Wasseraufbereitung 5 verlässt mit Verunreinigungen aufkonzentriertes Rohwasser 19 die thermische Wasseraufbereitungsanordnung 5. Weiterhin verlässt gereinigtes Wasser 22 die thermische Wasseraufbereitungsanordnung 5. Das Kesselspeisewasser 14 wird anschließend wiederum dem Dampferzeuger 4 zugeführt. Je nach Grad der Verunreinigung des Dampfes 8 beziehungsweise des Kondensats 9 kann ein gereinigter Anteil Kesselspeisewasser 14 mit einem nicht gereinigten Anteil Kondensat 9 zu Kesselspeisewasser 14 gemischt werden. Für den Fall, dass die Wärme des Abgases 6 nach der Dampferzeugung im Dampferzeuger 4 zu gering ist, kann zusätzlich an verschiedenen Stellen des Wasserdampfkreislaufs, im Falle mehrere Turbinenstufen auch zwischen den Stufen, Wärme entnommen werden, um den Heizer 15 zu erwärmen.
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2 zeigt die thermische Wasseraufbereitungsanordnung 5 im Detail. Das Kernstück der thermischen Wasseraufbereitungsanordnung 5 ist der Verdunster. In diesem Beispiel wird insbesondere ein Rieselstromverdunster 16 eingesetzt. Dabei fließt das zu reinigende Rohwasser 10 von oben nach unten durch eine strukturierte Verdunsterpackung. Die Luft 13 als Trägergas wird von unten nach oben durch den Rieselstromverdunster 16 geführt. Die Temperaturen in dem Rieselstromverdunster 16 liegen in einem Bereich zwischen 60 C und 100°C. Der Rieselstromverdunster 16 arbeitet mittels einer konvektiv unterstützten Verdunstung von Wasser. Das reine Wasser verdunstet in die im Gegenstrom geführte Luft 13 und kann anschließend in einem zweiten Kondensator 17 wieder kondensiert werden und als sauberes Wasser 22 zurück in den Dampferzeuger 4 geführt werden. Der zweite Kondensator 17 wird mit Rohwasser 10 gekühlt. Das schon erwärmte Rohwasser 18 wird anschließend durch den Heizer 15 geführt, um das Rohwasser auf die Temperatur zu bringen, die im Rieselstromverdunster 16 benötigt wird. Das Rohwasser 18 wird anschließend über einem geeigneten Verdunstermaterial verrieselt. As Materialen werden insbesondere strukturierte Packungen aus Kunststoff, Metall oder Cellulose mit einer spezifischen Oberfläche von 100 m2/m3 bis 300 m2/m3 verwendet.
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Der Rieselstromverdunster 16 wird im Gegenstrom betrieben. Das heißt, die Temperatur des abwärts strömenden Rohwassers 18 sinkt vom Kopf zum Fuß des Rieselstromverdunsters 16, weil dem Wasser durch Verdunstung und Lufterwärmung Energie entzogen wird. Die Temperatur der entgegenströmenden Luft steigt dagegen vom Fuß zum Kopf des Rieselstromverdunsters 16 an. Auf einer Trennstufe, das heißt auf einer Höhe im Rieselstromverdunster 16, bleibt die Temperatur der Luft immer niedriger als die Temperatur des Rohwassers. Damit erfolgt die Wärmeübertragung vom fallenden Wasser auf die aufsteigende Luft, und entsprechend der ansteigenden Temperatur kann die Luft im oberen Bereich des Rieselstromverdunster 16 mehr Wasserdampf aufnehmen. Das mit Verunreinigungen aufkonzentrierte Rohwasser 19 wird teilweise in einen Tank 20 zur Speicherung vorgelegt, teilweise wird es aus dem System hinaus befördert. Je nach Bedarfsmenge des Kesselspeisewassers 14 und nach Qualität des aufkonzentrierten Rohwassers 19 wird der Tank 20 mit frischem Rohwasser 11 aufgefüllt. Das frische Rohwasser 11 kann einerseits das kondensierte Wasser aus der Turbine 2 sein, andererseits aber auch Wasser aus anderen Wasserquellen, wie beispielsweise Flusswasser, Meerwasser oder Abwasser einer Kläranlage. Der Vorteil des eingesetzten Verdunstungsverfahrens ist, dass selbst die Aufbereitung von stark verschmutzten Abwässern möglich ist.
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Das Kesselspeisewasser 14 wird typischerweise vor der Dampferzeugung zum Betrieb der Dampfturbine derart konditioniert, dass die Korrosionsneigung abnimmt. Dies geschieht beispielsweise mit der Zugabe von flüchtigen Alkalisierungsmitteln, insbesondere von Ammoniak. Übliche Ammoniakkonzentrationen liegen in Abhängigkeit der Fahrweise in einem Bereich von 0,5 mg/L bis 1 mg/L (unter Zugabe von Phosphat) oder > 5 mg/L (ohne Phosphatzugabe). Ammoniak kann in zu hohen Konzentrationen in Gegenwart von Fremdionen wie Phosphat allerdings wiederum zur Korrosion, insbesondere aufgrund der Bildung von Ammoniumsalzen, im Wärmedampfkreislauf führen. Daher kann es in Abhängigkeit der Fahrweise nötig sein, Ammoniak in der thermischen Wasseraufbereitungsanordnung 5 aus dem System zu entfernen. Ammoniak ist eine flüchtige Komponente und würde im Rieselstromverdunster 16 ohne eine Konditionierung des Rohwassers in die Gasphase übergehen und so das gereinigte Wasser belasten. Um dies zu verhindern, wird der pH-Wert des Rohwassers 18 derart eingestellt, dass er um wenigstens eine pH-Einheit unterhalb des pKs-Werts von Ammoniak von 9,2 liegt. In diesem pH-Bereich liegt das Ammoniak als Ammonium-Ion in Wasser vor. Das Ammonium-Ion ist hydrolysiert und dadurch wenig flüchtig. Somit geht es im Rieselstromverdunster 16 nicht in die Gasphase über, sondern verlässt den Rieselstromverdunster 16 mit dem aufkonzentrierten Rohwasser 19. Ammoniak kann anschließend wieder dem Kesselspeisewasser 14 in der gewünschten Konzentration hinzugegeben werden.
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Für den Fall, dass Ammoniak nicht aus dem Rohwasser entfernt 10 werden soll, kann ein pH-Wert gewählt werden, der wenigstens eine pH-Einheit oberhalb des pKs-Werts von 9,2 liegt. So kann das Ammoniak zusammen mit der mit dem gereinigten Wasser beladenen Luft 21 in den zweiten Kondensator 17 geführt werden. Dieses Wasser kann direkt als konditioniertes Kesselspeisewasser 14 in den Wasserdampfkreislauf der Turbine 2 zurückgeführt werden. Bei einer solchen Betriebsweise wird allerdings Ammoniak aufgrund seines hohen Dampfdruckes im Kondensat der Wasseraufbereitungsanlage angereichert.
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Die Notwendigkeit einer Entfernung des Ammoniaks hängt von mehreren Faktoren ab. In erster Linie ist die Art der Kesselspeisewasserkonditionierung entscheidend. Für den Fall, dass die Ammoniakkonzentration begrenzt werden muss, gilt es zu beachten, ob, wie in 1 gezeigt, direkt ein Teil des Kondensats 9 nach der Turbine 2 wieder in den Dampferzeuger 4 geführt wird. Für den Fall, dass ein Teil des Kondensats 9 direkt ohne Aufbereitung in den Dampferzeuger 4 geführt wird, ist eine Reinigung auch vom Verhältnis dieser Kondensatmenge 9 zu der Menge an eingesetztem Rohwassers 10 abhängig. Dieses nicht gereinigte Kondensat 9 beinhaltet Ammoniak in einer definierten Konzentration. In Abhängigkeit dieser Konzentration muss nun in der thermischen Wasseraufbereitung 5 das Ammoniak entsprechend erniedrigt werden, um die gewünschte Ammoniak-konzentration im Kesselspeisewasser 14 einzustellen.
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Im Falle, dass Ammoniak nicht vollständig aus dem Rohwasser 10 entfernt werden soll, aber auch nicht vollständig im Rohwasser 10 verbleiben oder sogar aufkonzentriert werden soll, besteht die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl eines pH-Wertes innerhalb des Bereiches (pKs – 1) < pH < (pKs + 1) die gewünschte Ammoniak-Konzentration einzustellen.