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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren sowie eine Steuereinheit für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem und ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem als solches.
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Bei herkömmlichen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen mit Kraftwerken, welche eine Kondensations-Dampfturbine zur Stromerzeugung nutzen, wird der Dampf des eingesetzten Wärmeübertragungsmediums möglichst weit entspannt, d.h. im Druck abgesenkt, um damit zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Auskopplung mechanischer Arbeit und/oder bei der Stromerzeugung am Turbinenaustritt einen möglichst niedrigen Austrittsdruck und eine möglichst niedrige Austrittstemperatur zu erreichen. Wegen des herkömmlicherweise vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus am Turbinenaustritt bleibt die verbleibende Restwärme im Wesentlichen ungenutzt und wird zum Beispiel an eine angeschlossene Hauptwärmesenke übertragen, wobei diese als Wasserkühlung, zum Beispiel über einen Fluss, oder als Luftkühlung realisiert sein kann. Dabei wird zwar mit dem niedrigen Austrittsdruck und mit der niedrigen Austrittstemperatur der Anteil der ungenutzten Energie abgesenkt, wobei die erreichbare Austrittstemperatur von der Temperatur der Hauptwärmesenke abhängt, jedoch muss zur Versorgung eines über Wärmekopplung angeschlossenen Systems eine Anzapfung, die auch als Bleed bezeichnet werden kann, auf einem vergleichsweise höheren Temperaturniveau erfolgen.
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Somit sind herkömmlicherweise zusätzliche Einrichtungen zur Versorgung über Wärmekopplung angeschlossener Systeme mit einem Wärmeübertragungsmedium auf einem vergleichsweise höheren Temperaturniveau erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Betriebsverfahren und eine Steuereinheit für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem sowie ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem als solches anzugeben, bei welchen mit einfachen Mitteln bei insgesamt gesteigertem Wirkungsgrad in flexibler Art und Weise eine Versorgung über Wärmekopplung angeschlossenen Systeme möglich ist.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einer Steuereinheit erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und bei einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Betriebsverfahren für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem geschaffen, wobei das Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine Abverbrauchereinheit und eine Kraftwerkseinheit in Kraft-Wärme-Kopplung mit dem Abverbrauchereinheit aufweist und wobei bei dem Betriebsverfahren
- - Dampf eines Wärmeübertragungsmediums bereitgestellt oder erzeugt wird,
- - eine Turbine der Kraftwerkseinheit als Kondensationsturbine und zur Stromerzeugung mit dem Dampf betrieben wird,
- - zumindest ein Teil des Dampfes für eine Wärmebehandlung in der Abverbrauchereinheit verwendet wird, indem
- - Wärmemenge des Dampfes unmittelbar oder über eine Wärmetauschereinheit mittelbar in die Abverbrauchereinheit übertragen wird,
- - ein Übertragen von Wärmemenge des Dampfes auf einer stromabwärts gelegenen Seite zu einem Turbinenaustritt erfolgt und
- - der Druck des Wärmeübertragungsmediums und insbesondere des Dampfes am Turbinenaustritt so unterhalb eines Atmosphärendrucks der Umgebung und insbesondere unterhalb von 1013 hPa eingestellt wird, dass eine vorgegebene Dampfbedingung der Abverbrauchereinheit und insbesondere der Wärmetauschereinheit erfüllt ist oder wird.
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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass ohne die Notwendigkeit zusätzlicher apparativer Maßnahmen und insbesondere ohne Anzapfung an der Turbine Wärme des für die Auskopplung mechanischer Arbeit und/oder für die Stromerzeugung erzeugten Dampfes für die Wärmebehandlung in der Abverbrauchereinheit, die auch als Abverbrauchersystem aufgefasst werden kann, übertragen werden kann. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Vorgehen weist herkömmlicherweise verwendeter Dampf am Turbinenausgang einen zu geringen Anteil an als Wärme nutzbarer Energie auf, um ein erforderliches Wärmeniveau zu erreichen, so dass beim üblichen Vorgehen zusätzliche Energie aus Anzapfungen oder einer externen Quelle bereitgestellt werden muss. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen machen dieses Vorgehen obsolet.
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Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Sichtweise der vorliegenden Erfindung ergibt sich folgende Darstellung: Herkömmlicherweise wird bei einer Kondensationsturbine mittels einer Wärmesenke versucht, den Dampf so weit wie möglich zu entspannen. Erfindungsgemäß wird jedoch der Dampf am Ende der Turbine nicht kondensiert, wie das herkömmlicherweise der Fall ist. Vielmehr wird der Dampf nur soweit wie möglich in den Unterdruck entspannt, wobei zusätzlich entsprechende Anforderungen einer Abverbrauchereinheit, zum Beispiel eines Fernwärmesystems, inklusive der dazugehörigen Komponenten, zum Beispiel eines Wärmetauschers, berücksichtigt werden.
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Es geht dabei insbesondere um die Bezugnahme auf einen Turbinenaustritt. Bei einer mehrstufigen Turbine oder mehreren Turbinen in Kaskade kann es sich dabei um den Austritt eines Niederdruckteils einer mehrstufigen Turbine bzw. um einen Turbinenaustritt einer in einer Anordnung mit mehreren Turbinen angeordneten Niederdruckturbine handeln.
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Vorangehend und Nachfolgend wird unter einer Kondensationsturbine eine Turbine verstanden, bei welcher der Dampf, gegebenenfalls bis ins Nassdampfgebiet hinein, entspannt wird, so dass Kondensation im Abdampf eintritt. Die Kondensationsturbine stellt somit das Gegenstück zur Gegendruckturbine dar, bei der Abdampf im Überdruckbereich - d.h. oberhalb des Atmosphärendrucks der Umgebung - und überhitzt entnommen wird.
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Der Turbine wird in vorteilhafter Weise ein Kondensator nachgeschaltet, der - angepasst an die Dampfbedingung der Abverbrauchereinheit - eine möglichst niedrige Temperatur und somit einen möglichst niedrigen Druck hat. So können insgesamt eine besonders hohe Energieausbeute und ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht werden.
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Andererseits wird unter Berücksichtigung der Dampfbedingung der Abverbrauchereinheit am Turbinenausgang nicht zwangsläufig so tief entspannt, wie dies bei herkömmlichen Kondensationsturbinen und beim herkömmlichen Übergang zur finalen Wärmesenke der Fall ist, so dass der Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung an die Abverbrauchereinheit und der Gesamtwirkungsgrad gesteigert werden können.
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Erfindungsgemäß kann dabei das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise mit einem Druck in einem Zwischenbereich unterhalb des Atmosphärendrucks der Umgebungsatmosphäre, insbesondere also unterhalb 1013 hPa, vorzugsweise im Bereich von 750 hPa, bis oberhalb von 200 hPa betrieben werden. Herkömmlicherweise wird bei Kondensationsturbinen am Turbinenaustritt dagegen bis unterhalb 200 hPa entspannt, wobei zusätzliche Bedingungen in Bezug auf eine Abverbrauchereinheit und insbesondere in Bezug auf deren Kondensator beim Betrieb und beim Einstellen des Drucks und der Temperatur des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenausgang nicht berücksichtigt werden.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Temperatur und/oder ein Druck des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt entsprechend einer Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit als Senkentemperatur ausgelegt oder gewählt und insbesondere in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit gesteuert oder geregelt ist oder wird. Diese Maßnahmen ermöglichen eine Anpassung des Temperaturniveaus und/oder des Druckniveaus des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt entsprechend den Erfordernissen für die Wärmebehandlung in der Abverbrauchereinheit.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung sei unter einem oder dem Turbinenaustritt ein Auslass der Turbine verstanden, aus welchem das in die Turbine eingeleitete Wärmeübertragungsmedium die Turbine in Bezug auf die Strömungsrichtung der Erzeugung elektrischen Stroms und/oder der Auskopplung mechanischer Arbeit stromabwärts gelegen oder nachgeschaltet wieder verlässt und aus dieser austritt. Damit sind also insbesondere herkömmlicherweise vorgesehene Anzapfungen nicht gemeint.
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Ferner sollen im Sinne der vorliegenden Erfindung unter einer Abverbrauchereinheit oder einem Abverbrauchersystem die Einheit oder das System verstanden werden, welches im Zusammenhang mit der Kraft-Wärme-Kopplung mit Wärme versorgt werden soll, um in der Einheit oder im System eine Wärmebehandlung durchzuführen, sei dies im Zusammenhang mit Heizzwecken, mit Produktionsverfahren oder im Zusammenhang mit anderen Maßnahmen.
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Die Anpassung kann über eine Auslegung, Auswahl, Regelung und/oder Steuerung des Betriebspunktes der Turbine erfolgen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von dem Turbinenaustritt in Bezug auf die Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums und seines Dampfes nachgeschalteter Steuer- und/oder Regeleinheiten, insbesondere in Form von steuerbaren oder regelbaren Ventilen. In diesem Zusammenhang kann auch das Konzept eines Speichertanks eingesetzt werden.
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Ferner ist es in diesem Zusammenhang von besonderem Vorteil, wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums - insbesondere in Dampfform - nach Übertragung von oder der Wärmemenge an die Abverbrauchereinheit und insbesondere am Austritt einer zu Grunde liegenden Wärmetauschereinheit der Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen ersten Temperaturintervalls im Wesentlichen entspricht. Das bedeutet in der Praxis, dass die Temperatur und/oder der Druck des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt, sei dieses in Form eines Dampfes, einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeit-Dampf-Gemisches vorliegend, in Abhängigkeit von einem Wert der Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit durch Steuerung und/oder Regelung eingestellt werden kann.
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Eine Idee ist dabei, die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums und insbesondere des Dampfes am Austritt der Turbine so zu wählen, dass die Bedingung einer Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit und/oder der Wärmetauschereinheit, also insbesondere die Bedingungen eines zu Grunde liegenden Kondensators, erfüllt sind.
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Zwar wird häufig auf diese Art und Weise eine Bezugnahme auf die Rücklauftemperatur der zu versorgenden Abverbrauchereinheit hergestellt, alternativ oder zusätzlich dazu ist jedoch auch eine Bezugnahme auf die Vorlauftemperatur der Abverbrauchereinheit denkbar, also eine Bezugnahme auf diejenige Temperatur, mit der Wärme in die Abverbrauchereinheit zur Wärmebehandlung eingespeist wird.
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So ist es gemäß einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens möglich, dass eine Temperatur und/oder ein Druck des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt entsprechend einer gewünschten und/oder vorgegebenen zu erzielenden Vorlauftemperatur der Abverbrauchereinheit ausgelegt oder geregelt und insbesondere in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur der Abverbrauchereinheit gesteuert oder geregelt ist oder wird.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt der Vorlauftemperatur der Abverbrauchereinheit entspricht oder innerhalb eines vorgegebenen zweiten Temperaturintervalls im Wesentlichen entspricht.
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Bei anderen Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann es vorgesehen sein, dass
- - die Abverbrauchereinheit nach Art eines Rücklaufsystems betrieben wird,
- - als Wärmetauschereinheit oder als Teil davon ein Kondensator verwendet wird,
- - als Wärmeübertragungsmedium Wasser verwendet wird und/oder
- - als Abverbrauchereinheit ein Fernwärmesystem, eine Produktionsstätte und/oder eine Biogasanlage mit Wärme versorgt werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens als eine Kraftwerkseinheit ein Kohlekraftwerk und/oder eine Müllverbrennungsanlage betrieben werden. Grundsätzlich sind jedoch als Kraftwerkseinheiten sämtliche Einheiten im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens denkbar, bei welchen unter Verwendung eines Wärmeübertragungsmediums Dampf erzeugt und zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinheit für ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem geschaffen, wobei das Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine Abverbrauchereinheit und eine Kraftwerkseinheit in Kraft-Wärme-Kopplung mit der Abverbrauchereinheit aufweist und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Betriebsverfahren zu initiieren, ablaufen zu lassen und/oder zu steuern.
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Des Weiteren ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem als solches, welches eingerichtet ist, mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Betriebsverfahren betrieben zu werden. Das Kraft-Wärme-Kopplungssystem ist mit einer Kraftwerkseinheit und mit einer Abverbrauchereinheit ausgebildet, wobei die Kraftwerkseinheit zur Kraft-Wärme-Kopplung mit der Abverbrauchereinheit eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich weist das vorgeschlagene Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine erfindungsgemäß ausgebildete Steuereinheit auf.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystems sind eine Einheit zum Bereitstellen und/oder Erzeugen von Dampf eines Wärmeübertragungsmediums, eine Turbine zur Gewinnung mechanischer Arbeit und/oder zur Stromerzeugung durch Betreiben mit dem Dampf, wobei die Turbine einen Turbineneintritt und einen Turbinenaustritt für das Wärmeübertragungsmedium aufweist, und eine Einrichtung ausgebildet, insbesondere nach Art einer Wärmetauschereinheit oder eines Kondensators, welche dem Turbinenaustritt in Bezug auf die Strömung des Wärmeübertragungsmediums nachgeschaltet und dazu eingerichtet ist, Wärmemenge des aus dem Turbinenaustritt austretenden Wärmeübertragungsmediums in die Abverbrauchereinheit zu übertragen.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
- 1 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kraft-Wärme-Kopplungssystems zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren.
- 2 und 3 zeigen schematisch nach Art von Blockdiagrammen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystems, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren verwendet werden können.
- 4 zeigt in Form eines Graphen den Zusammenhang bei Kraft-Wärme-Kopplungssystemen ungenutzter Energieressourcen im Verhältnis zur Wärmebehandlung bzw. zur Stromerzeugung genutzter Energieanteile.
- 5 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms eine herkömmliche Ausgestaltungsform eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kraft-Wärme-Kopplungssystems 100 zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren.
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Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystems 100 gemäß 1 besteht dem Kern nach aus einer Turbine 20 mit einem Turbineneintritt 21 im Sinne eines endständigen Eintritts 21' der Turbine 20 und einem Turbinenaustritt 22 im Sinne eines endständigen Austritts 22' der Turbine 20 einer Abverbrauchereinheit 50, auch als Abverbrauchersystem bezeichnet, zum Beispiel nach Art eines Fernwärmesystems 50' mit einem Vorlauf 51 und mit einem Rücklauf 52 sowie mit einem Wärmeübertragungsbereich 55.
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Dem Wärmeübertragungsbereich 55 wird vom Turbinenaustritt 22 aus ein Wärmeübertragungsmedium in Form von Dampf, einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeit-Dampf-Gemisches zu einem Eintritt 41 in eine Wärmetauschereinheit 40 zugeführt. In der Wärmetauschereinheit 40, zum Beispiel nach Art eines Kondensators 40', wird Wärmemenge von dem aus der Turbine 20 zugeführten Wärmeübertragungsmedium in ein in der Abverbrauchereinheit 50 zirkulierendes Wärmeübertragungsmedium übertragen. Nach dem Durchtritt durch die Wärmetauschereinheit 40 erfolgt am Austritt 42 der Wärmetauschereinheit 40 entweder direkt eine Rückführung in den Turbineneintritt 21 oder aber eine Zwischenschaltung eines Kondensatstanks 70 oder eines andersgearteten Rücklaufsystems.
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Erfindungsgemäß wird die in 1 dargestellte Struktur genutzt, in dem für die Wärmeversorgung der Abverbrauchereinheit 50 Wärmemenge erst dem Turbinenaustritt 22 in Bezug auf die Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums nachgeschaltet an das Abverbrauchersystem 50 übertragen wird. Durch ein entsprechendes Einstellen der Temperatur und/oder des Drucks des Wärmeübertragungsmediums am Turbinenaustritt 22 erfolgt mit entsprechend vergleichsweise einfachen Mitteln eine Anpassung an die Erfordernisse der Abverbrauchereinheit 50, insbesondere unter Berücksichtigung der Rücklauftemperatur RL und/oder der Vorlauftemperatur VL am Rücklauf 52 bzw. am Vorlauf 51 der Abverbrauchereinheit 50.
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Die 2 und 3 zeigen schematisch nach Art von Blockdiagrammen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystems 100, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren verwendet werden können.
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Zusätzlich zu der Anordnung des Kraft-Wärme-Kopplungssystems 100 aus 1 zeigt die Ausführungsform gemäß 2 Details des in einem kreislaufbetriebenen Abverbrauchersystems 50. Hier sind außerhalb des Wärmeübertragungsbereich 55 eine Wärmenutzung 58 und eine Umlaufpumpe 59 für das Wärmeübertragungsmedium des Abverbraucherkreislaufs dargestellt. Innerhalb des Wärmeübertragungsbereich 55 sind neben der Wärmetauschereinheit 40 nach Art eines Kondensators 40' weitere Wärmeübertragerstufen 45-1 bis 45-3 ausgebildet, welche zumindest teilweise über entsprechende Anzapfungen 23 oder Bleeds in herkömmlicher Weise mit Wärmemenge aus der Turbine 20 versehen werden.
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Ferner ist die Quelle für die Dampferzeugung 10 in Verbindung mit dem Turbineneintritt 21 dargestellt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist zusätzlich zur Ausführungsform gemäß 2 beim erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungssystem 100 eine Steuereinheit 60 dargestellt, welche über eine Steuer- und Erfassungsleitung 61 mit Steuerventilen 65 und 66 und entsprechenden Sensoren zur Messdatenerfassung verbunden ist.
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Letztlich ist die Steuereinheit 60 erfindungsgemäß ausgestaltet und dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zu initiieren, ablaufen zu lassen und/oder zu steuern.
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Das erste Steuerventil 65 ist eingerichtet, den Abfluss des Wärmeübertragungsmediums aus dem Turbinenaustritt 22 zu steuern oder zu regeln und dadurch entsprechend eine Anpassung der Temperatur und/oder des Drucks am Turbinenausgang 22 zu bestimmen, vorzugsweise in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Abverbrauchereinheit 50.
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Dargestellt ist in 3 des Weiteren die Abwärmeeinheit 90, zum Beispiel in Form eines Luftkondensators 90', über welchen gesteuert über das Steuerventil 66 nach Art eines Drei - Wege-Ventils die Abgabe von Restwärme an eine finale Wärmesenke geregelt oder gesteuert werden kann.
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4 zeigt in Form eines Graphen 80 bei Kraft-Wärme-Kopplungssystemen ungenutzte Energieressourcen im Verhältnis zur Wärmebehandlung bzw. zur Stromerzeugung genutzter Energieanteile.
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Auf der Abszisse 81 ist der Grad der Optimierung in Bezug auf die Erzeugung von Strom bzw. in Bezug auf die Übertragung von Wärme aufgetragen, an der Ordinate 82 die jeweilige Leistung in kW. Die Spur 83-1 zeigt den Verlauf der Stromerzeugung mit seiner Leistung in Abhängigkeit vom Grad der Optimierung, die Spur 83-2 den Verlauf der Wärmeübertragung mit der jeweiligen Leistung in Abhängigkeit vom Grad der Optimierung und die Spur 83-3 entsprechend der Anteil an ungenutzter Energie.
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Die Abhängigkeiten der drei gezeigten Kurven 83-1, 83-2, 83-3 ergeben sich aus einer Variation des Bleedmassenstroms. Je nachdem, wie groß der Massenstrom der Bleeds ist, ist der Anteil der ungenützten Energie mehr oder weniger, bis zu null. Somit stellt der auf der Abszisse mit der Nr. 8 bezeichnete Fall einen stromoptimierten Betrieb mit dem neuen Betriebsverfahren dar. Insgesamt zeigt die Auswertung der Daten, dass mit dem neuen Verfahren ein gleichzeitig stromoptimierter und wärmeoptimierter Betrieb möglich ist.
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5 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms die herkömmliche Ausgestaltung eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems 100'. Zu erkennen ist, dass zur Versorgung einer Abverbrauchereinheit 50, zum Beispiel nach Art eines Fernwärmesystems 50', ausschließlich eine Anzapfung 23 an der Turbine 20 verwendet wird. Eine flexible Anpassung durch die Ankopplung an den Austritt 22 der Turbine 20 erfolgt im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht, so dass auch insgesamt die erfindungsgemäß erreichbaren Wirkungsgrade herkömmlicherweise unterschritten bleiben.
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Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch anhand der folgenden Darstellung weiter erläutert:
- Bei herkömmlichen Kraftwerken, welche eine Dampfturbine 20 zur Stromerzeugung nutzen, wird versucht, den Dampf möglichst weit zu entspannen, um damit am Austritt der Turbine 20 einen möglichst niedrigen Austrittsdruck und eine möglichst niedrige Austrittstemperatur zu erreichen.
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Je tiefer die Austrittstemperatur und der Austrittsdruck liegen, desto größer ist die Leistungsausbeute aus dem erzeugten Dampf.
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Da herkömmlicherweise die Restwärme als Kondensationswärme und im Wesentlichen ungenutzt an eine angeschlossene Hauptwärmesenke 90' übertragen wird, wird mit dem niedrigen Austrittsdruck und der niedrigen Austrittstemperatur der Anteil der ungenutzten Energie minimiert.
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Die erreichbare Austrittstemperatur hängt von der Temperatur der Hauptwärmesenke ab. Aus diesem Grund wird dieser Kraftwerkstyp meist an einem Gewässer errichtet. Die niedrige Temperatur des Wassers des Gewässers wird genutzt um damit eine möglichst tiefe zulässige Temperatur als Austrittstemperatur am Austritt der Turbine zu erzielen. Für den Fall, dass ein Gewässer nicht genutzt werden kann oder nicht zur Verfügung steht, kommen Kühltürme zum Einsatz, die am Ende den gleichen Effekt erzielen.
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Typische Werte für eine Müllverbrennungsanlage als Kraftwerkseinheit 1 sind z.B. für die Turbineneintrittstemperatur Temperaturen im Bereich von etwa 380 °C und für die Turbinenaustrittstemperatur Temperaturen im Bereich von etwa 40 °C bis etwa 50 °C.
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Die Turbine 20 selbst hat neben einem Eintritt und einen Austritt auch so genannte Anzapfungen 23, die auch Bleeds genannt werden. Diese Bleeds 23 dienen dazu, einen Teil des Dampfes zur Erwärmung anderer Systeme zu verwenden. Dieser Vorgang kann allgemein als Wärmebehandlung, insbesondere in einem Fernwärmesystem 50', aufgefasst werden, wobei der Begriff Fernwärmesystem 50' deutlich macht, dass die Wärmebehandlung in einem von der Turbineneinheit 20 separierten System 50 erfolgt, welches als Abverbrauchereinheit 50 bezeichnet werden kann. Dies kann jedoch auch in räumlicher Nachbarschaft sein.
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Die Anzahl und Position der Anzapfungen 23 oder Bleeds ist individuell für den jeweiligen Einsatz auslegt. Die Position einer Anzapfung 23 bestimmt dabei die Temperatur des ausgekoppelten Dampfes. Je näher die Anzapfung 23 beim Eintritt der Turbine 20 liegt, desto höher ist die Temperatur des ausgekoppelten Dampfes und als Folge davon kann eine größere Energiemenge ausgekoppelt und übertragen werden.
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Zum Beispiel werden Fernwärmesysteme 50' oft mithilfe eines Bleeds 23 geheizt. Dazu wird Wasser, welches in einer Ringleitung nach extern - d.h. nach außerhalb der Kraftwerksanlage - geführt wird, mit Hilfe des heißen Dampfes aus einem Bleed 23 der Turbine 20 auf eine höhere Temperatur aufgeheizt.
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In 5 ist eine Turbine 20 mit einer Anzapfung 23 gezeigt.
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Bei einem herkömmlichen Dampfkraftwerk werden der Austrittsdruck und die Austrittstemperatur des Dampfes am Austritt einer Turbine 20 so tief wie möglich sein, um möglichst viel Strom - oder allgemeine mechanische Arbeit - aus der Entspannung des Dampfes zu gewinnen.
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Trotzdem liegen typische Wirkungsgrade, die bei der Stromproduktion erreicht werden können, bei ca. 40 % der erzeugten Leistung, so dass ca. 60 % der erzeugten Leistung vor allem in Form von latenter Wärme an die Haupt Wärmesenke abgegeben werden.
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Eine weitere Nutzung der Wärme ist im Allgemeinen auf Grund des niedrigen Temperaturniveaus schwierig.
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Erfindungsgemäß wird dagegen ein Ansatz verfolgt, welcher immer dann zum Einsatz kommen kann, wenn in einer Anlage mit Hilfe einer Kondensationsturbine 20 Strom erzeugt oder mechanische Arbeit ausgekoppelt und gleichzeitig ein Fernwärmesystem 50 Apostroph als Abverbrauchereinheit 50 in dem oben erläuterten Sinn betrieben wird. Dabei müssen die beiden Systeme der Stromerzeugung und der Wärme- oder Arbeitsauskopplung nicht zwingend miteinander verbunden sein, sie können es aber, wie dies im obigen Beispiel erläutert wurde.
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Anstatt die Austrittstemperatur der Turbine 20 so weit wie möglich abzusenken, wird die Turbine 20 erfindungsgemäß so betrieben, dass die Austrittstemperatur - insbesondere in Kombination mit einem Kondensator 40' als Wärmetauschereinheit 40 - gerade auf die Rücklauftemperatur RL des verbundenen oder angekoppelten Fernwärmesystems 50' oder allgemein der angekoppelten Abverbrauchereinheit 50 abgestimmt ist oder wird.
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Der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeübertragungsfluid oder dem Turbinenaustrittsfluid am Turbinenaustritt 22 und dem Wärmeübertragungsfluid, zum Beispiel dem Kühlmittel, im Fernwärmesystem 50' ist oder wird so gewählt, dass die Kondensationswärme auf das Fernwärmesystem 50' übertragen werden kann.
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Dabei ist insbesondere eine Modifikation an der Turbine 20 nicht unbedingt erforderlich. Es wird lediglich der Betriebspunkt verändert. Dadurch kann neben der elektrischen Energie auch ein großer Anteil der Wärme genutzt und damit der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks 1 oder der Anlage im Allgemeinen verbessert werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Konzept wird möglicherweise zwar weniger Strom erzeugt oder mechanische Arbeit ausgekoppelt werden, weil weniger Energie aus der Entspannung des Dampfes gewonnen wird. Im Gegenzug kann aber die versandte und übertragene Wärmemenge - also das Maß an Fernwärme - gesteigert werden. Insgesamt ist erfindungsgemäß ein höherer Gesamtwirkungsgrad erreichbar.
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Für den Fall, dass zusätzlich ein Teil des Dampfs der Turbine 20, über eine Anzapfung 23, für die Fernwärme genutzt wird, kann die Menge des benötigten Dampfes, der für die Erwärmung des Wassers nötig ist, reduziert werden, weil bereits ein großer Teil der zum Erwärmen benötigten Energie aus der Kondensationsenergie stammt. Der gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen reduzierte Teil der Anzapfung 23 kann wiederum in die Stromproduktion gehen.
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Zumindest wird durch das erfindungsgemäße Vorgehen die Stromproduktion nicht so stark verringert, als dass es nicht zu einer Kompensation käme, auch wenn eine Bilanzierung auf 0 nicht erreichbar sein sollte.
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In den 1 bis 3 ist die der Erfindung zu Grunde liegende Idee schematisch dargestellt.
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Dabei zeigt 2 eine Anordnung mit Turbine 20 und Kondensator 40' als Wärmetauschereinheit 40 sowie eine Abfolge mit drei Wärmetauschern 45-1 bis 45-3, die das Wärmeübertragungsfluid des Fernwärmesystem, zum Beispiel Wasser, aufheizen. Es dienen bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Anzapfungen 23 oder Bleeds der Erwärmung. Dabei kann die Stufe 2 mit Wärmetauscher 45-2 von einem anderen System kommen.
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Die Austrittstemperatur der Turbine 20 wird gerade so gewählt und eingestellt, dass die Rücklauftemperatur RL in Kombination mit dem Kondensator 40' getroffen wird.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 5 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftwerkseinheit, Kraftwerk
- 10
- Dampferzeugung
- 20
- Turbine
- 21
- Turbineneintritt
- 21'
- endständiger Eintritt der Turbine 20
- 22
- Turbinenaustritt
- 22'
- endständiger Austritt der Turbine 20
- 23
- Anzapfung, Abzweigung, Auslass, Bleed
- 25
- Generatoreinrichtung
- 40
- Wärmetauschereinheit
- 40'
- Kondensator
- 41
- Eintritt der Wärmetauschereinheit
- 42
- Austritt der Wärmetauschereinheit
- 45-1
- Wärmetauscher, durch Anzapfung 23 versorgt
- 45-2
- Wärmetauscher, durch Anzapfung 23 versorgt
- 45-3
- Wärmetauscher, durch Anzapfung 23 versorgt
- 50
- Abverbrauchereinheit, Abverbrauchersystem
- 50'
- Fernwärmesystem
- 51
- Vorlauf
- 52
- Rücklauf
- 55
- Wärmeübertragungsbereich
- 58
- Wärmenutzung
- 59
- Umlaufpumpe
- 60
- Steuereinheit
- 61
- Steuer- und Erfassungsleitung
- 62
- Sensor
- 65
- Steuerventil
- 66
- Steuerventil
- 70
- Kondensattank / Rücklaufsystem
- 80
- Graph
- 81
- Abszisse
- 82
- Ordinate
- 83-1
- Spur
- 83-2
- Spur
- 83-3
- Spur
- 90
- Abwärmeeinheit
- 90`
- Hauptwärmesenke
- 100
- Kraft-Wärme-Kopplungssystem
- 100'
- herkömmliches Kraft-Wärme-Kopplungssystem
- RL
- Rücklauftemperatur der Abverbrauchereinheit 50/Fernwärmesystems 50'
- VL
- Vorlauftemperatur der Abverbrauchereinheit 50/Fernwärmesystems 50'