DE102006009406A1 - Stabilizing process for water circulation involves coolant flowing through cooling tubes being taken out at low geodetic height of generator body and put back later - Google Patents

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Abstract

The stabilizing process is part of a combined gas turbine and steam process in which a cooling device for the process gas is included. The coolant flowing through the cooling tubes ia taken out at a point of low geodetic height of the steam generator body and is put back in at a point of higher geodetic height of the steam generator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung des Wasserumlaufs in einem Wasserrohr-Dampferzeuger, vorwiegend in einem Strahlungskessel höheren Drucks, der mit einer Abkühleinrichtung des Gasturbinen-Prozeßgases ausgerüstet ist bei einem kombinierten Gasturbinen-Dampfprozeß nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for stabilizing the water circulation in a water tube steam generator, mainly in a radiation boiler higher Pressure, with a cooling device of the gas turbine process gas equipped is in a combined gas turbine steam process after the Preamble of claim 1.

Definition:Definition:

Rauchgas ist das Verbrennungsprodukt eines Brennstoffs mit nicht mehr weiter verwertbarem Sauerstoffgehalt.flue gas is the combustion product of a fuel with no more usable oxygen content.

Prozeßgas ist das Kreislaufmedium einer Gasturbine, welches nach Austritt aus der Gasturbine noch ausreichend Sauerstoff für eine weitere nachgeschaltete Verbrennung enthält.Process gas is the circulation medium of a gas turbine, which after leaving the the gas turbine still sufficient oxygen for another downstream Contains combustion.

Bei der Erzeugung von hochgespanntem Dampf, in der Regel über 45 bar, unterscheidet der Fachmann zwischen Abhitzedampferzeuger und Strahlungsdampferzeuger. Bei Abhitzedampferzeugern wird die eingebrachte Wärme, die durch heiße Rachgase aus Feuerungsanlagen entsteht, durch Berührung, sogenannte Konvektion, an den Wasser-Dampfkreislauf übertragen. Hingegen erfolgt bei einem Strahlungsdampferzeuger die Übertragung eines großen Teils der erzeugten Wärme, wie der Name sagt, durch Strahlung. Voraussetzung hierfür sind Rauchgastemperaturen von über 800 °C, bei denen das Medium Rauchgas auch eine entsprechende Strahlung abgeben kann.at the generation of high-tension steam, usually above 45 bar, the expert distinguishes between heat recovery steam generator and radiant steam generator. In waste heat steam generators, the introduced heat, the by hot revenge gases from combustion plants arises, by contact, so-called convection, transferred to the water-steam cycle. By contrast, the transmission takes place in a radiation steam generator a big one Part of the generated heat, as the name implies, by radiation. Prerequisite for this are flue gas temperatures from above 800 ° C, where the medium flue gas is also a corresponding radiation can deliver.

Ein Strahlungsdampferzeuger weist meist zwei Rauchgaszüge auf: Die Flammenbildung erfolgt dabei in einem Feuerraum, der mit wassergekühlten Wänden in Rohr-Steg-Rohr-Bauweise, sogenannte Membranwände, umschlossen ist. In den Membranwänden erfolgt zum überwiegenden Teil die Verdampfung des Wassers. Im Feuerraum erfolgt auch die Wärmeübertragung an die Membranwände durch Strahlung. An den Feuerraum schließt sich ein zweiter Zug, der die Bündelheizflächen, in denen die Überhitzung des Dampfes erfolgt, enthält, an. Er wird als hier als Konvektions-Rauchgaszug bezeichnet. Nach dem Verlassen des Feuerraums hat sich das Rachgas soweit abgekühlt, daß seine Strahlung immer mehr vernachlässigbar wird. Die Wärmeübertragung findet dann an die Bündelheizflächen durch Konvektion statt.One Radiation steam generator usually has two flues: The flame formation takes place in a firebox, which with water-cooled walls in Tube-web-tube-construction, so-called membrane walls, is enclosed. In the membrane walls takes place for the most part Part of the evaporation of the water. In the firebox is also the heat transfer to the membrane walls by radiation. At the firebox, a second train closes, the the bundle heating surfaces, in those overheating of steam, contains, at. He is referred to here as a convection flue. To leaving the furnace the throat gas has cooled down so far that his Radiation increasingly negligible becomes. The heat transfer then finds the bundle heating surfaces by convection instead of.

Feuerraum und Konvektions-Rauchgaszug bilden konstruktiv eine Einheit mit gemeinsamen wassergekühlten Seitenwänden und je einer wassergekühlten Dampferzeugervorderwand und einer Dampferzeugerrückwand. Diese beheizten Wände erzeugen einen wasserseitigen Auftrieb, der den bekannten Umlauf im Wasser-Dampfkreis erzeugt. Die erläuterte konstruktive Einheit führt auch die Bezeichnung „Druckkörper", die hier für Feuerraum und Konvektions-Rauchgaszug zusammen verwendet wird.firebox and convection flue gas constructively form a unit with common water-cooled sidewalls and one each water cooled Steam generator front wall and a steam generator rear wall. These heated walls generate a water-side buoyancy, the known circulation in the water-steam cycle generated. The explained constructive unit leads also the term "pressure hull", which here for firebox and convection flue is used together.

Dampferzeuger der genannten Bauart sind weit verbreitet und finden vor allem in Dampfturbinen-Kraftwerken und Dampfturbinen-Heizkraftwerken Anwendung.steam generator of the type mentioned are widely used and find especially in Steam Turbine Power Plants and Steam Turbine Thermal Power Plants Application.

In den letzten zwei Dekaden wurde der klassische Wasser-Dampfprozeß zu einem sogenannten kombinierten Gas- und Dampfprozeß weiterentwickelt, wobei dem Dampferzeuger gasseitig eine Gasturbine vorgeschaltet wird. Dies verbessert die Stromausbeute pro erzeugte Prozeßdampfwärmeeinheit. Die Gasturbine erfüllt dabei die Funktion des Sauerstofflieferanten für die nachgeschaltete Leistungsfeuerung, nachdem das Prozeßgas der Gasturbine noch ausreichend Sauerstoff für eine weitere Verbrennung enthält. Solche Anlagen tragen auch die Bezeichnung GuD, stellvertretend für „Gas und Dampf", oder „Kombianlage". Im englischsprachigen Raum ist auch die Bezeichnung „Steam and Gas" oder CHP oder CCP anzutreffen.In In the last two decades, the classic water vapor process became one developed so-called combined gas and steam process, the Steam generator gas side is preceded by a gas turbine. This improves the current efficiency per generated process steam heat unit. The gas turbine Fulfills the function of the oxygen supplier for the downstream power firing, after the process gas the gas turbine still sufficient oxygen for further combustion contains. Such systems also bear the designation GuD, representative for "gas and steam" or "combi-conditioning". In English-speaking countries is also the name "Steam and gas "or CHP or CCP.

Das Vorschalten von Gasturbinen vor einem klassischen Dampfprozeß führt physikalisch bedingt zu einigen Nachteilen. Diese sind in erster Linie:
Ansteigen der Temperatur im Feuerraum mit einer erhöhten Affinität zur Stickoxidbildung. Der Anstieg der Temperatur ist durch die verminderte Strahlungsenergie aus der Inertgasbelastung des Gasturbinen-Prozeßgases verursacht. Die Belastung der Überhitzer steigt an mit einer damit verbundenen Verminderung der Standzeit der Bündelheizflächen.The upstream of gas turbines before a classic steam process leads to some disadvantages physically. These are primarily:
Increasing the temperature in the furnace with an increased affinity for nitrogen oxide formation. The increase in temperature is caused by the decreased radiant energy from the inert gas load of the gas turbine process gas. The load on the superheater increases with a concomitant reduction in the service life of the bundle heating surfaces.

Ein weiterer Nachteil ist die Schwächung des Brennstoffnutzungsgrads durch erhöhte Rauchgasverluste, die zum Teil durch Verschieben der Wärme zum kalten Ende des Prozesses und des weiteren durch den erhöhten Abgasmassenstrom gegenüber einer frischluftbeaufschlagten Feuerung verursacht wird.One Another disadvantage is the weakening the fuel efficiency by increased flue gas losses, the Part by moving the heat to cold end of the process and further by the increased exhaust gas mass flow opposite one Frischluftbeaufschlagten firing is caused.

Diese Nachteile werden ausführlich in der Patentschrift DE 36 21 006 beschrieben. Das Patent behebt diese Nachteile und leitet auch daraus die Erfindungshöhe ab. Bei dem Patent wird nämlich das Prozeßgas der Gasturbine, welches noch ausreichend Sauerstoff für die Leistungsfeuerung des Dampferzeugers enthält, in einer Kühleinrichtung von über 500 °C auf ca. 360 °C gekühlt. Die Kühleinrichtung stellt darin eine externe Wärmeaustauschfläche dar, bei der Sattwasser über eine Rohrleitung aus der Trommel entnommen wird und das wärmebeladene Wasser-Dampfgemisch derselben Trommel über weitere Rohrleitungen wieder zugeführt wird.These disadvantages are described in detail in the patent DE 36 21 006 described. The patent remedies these disadvantages and derives the inventiveness from them. In the patent, namely, the process gas of the gas turbine, which still contains sufficient oxygen for the power of the steam generator, cooled in a cooling device of about 500 ° C to about 360 ° C. The cooling device is therein an external heat exchange surface is taken in the saturated water through a pipe from the drum and the heat-laden water-steam mixture of the same drum is supplied via other pipes again.

Die Abkühlung des Prozeßgases bewirkt zusammen mit der Geometrie des Feuerraumes niedrige Flammenspitzentemperatur, welche über die Bildung des thermischen NOx bei der chemischen Reaktion von Erdgas mit Sauerstoff in der nachgeschalteten Feuerungsanlage entscheidet.The Cooling of the process gas causes together with the geometry of the firebox low flame peak temperature, which over the formation of thermal NOx in the chemical reaction of Natural gas with oxygen in the downstream combustion plant decides.

Die Abkühleinrichtung gemäß Patent DE 36 21 001 kann mit Sattwasser im Zwangsumlauf oder im Naturumlauf betrieben werden.The cooling device according to patent DE 36 21 001 can be operated with saturated water in forced circulation or in natural circulation.

Das Verfahren erfordert ein externes, mit Gasturbinen-Prozeßgas durchströmtes, Gehäuse, in dem sich die Kühlrohre befinden. Die Kühlrohre sind mit der Trommel über Sammler und einem aufwendigen Rohrleitungssystem verbunden. Das Rohrleitungssystem führt von der Trommel über Umwälzpumpen zum Eintrittssammler in das Kühlrohrbündel und vom Austrittssammler zurück in die Trommel. Der Umlauf muß durch eine sicherheitsgerichtete Strömungsüberwachung abgesichert sein. Bei Ausfall einer Gasturbine erfolgt eine Umschaltung auf die Frischluftversorgung der Leistungsfeuerung. Auch in diesem Betriebsfall muß der zwangsgeführte Umlauf erhalten bleiben, was betrieblich als ein Nachteil angesehen wird.The The method requires an external gas turbine gas flowed through housing in which the cooling tubes are located. The cooling pipes are over with the drum Collector and a complex piping system connected. The Piping system leads from the drum over Circulation to the inlet collector in the cooling tube bundle and back from the exit collector in the drum. The circulation must be through a safety-related flow monitoring to be secured. In case of failure of a gas turbine, a changeover takes place on the fresh air supply of the power firing. Also in this Operating case must be positively driven Circulation is maintained, which operationally regarded as a disadvantage becomes.

Die Kühlung des Prozeßgases kann auch alternativ über ein Naturumlaufverfahren erfolgen, wobei die Umwälzpumpen entfallen. Das System weist allerdings auch einen Nachteil auf, nämlich den, daß bei Teillast der Gasturbine der Umlauf nicht mehr gewährleistet werden kann. Die Erscheinung tritt dann auf, wenn die Prozeßgastemperatur auf Sattdampftemperatur absinkt.The cooling of the process gas can also be alternatively over a natural circulation process take place, the circulation pumps omitted. The system However, also has a disadvantage, namely that at partial load the gas turbine circulation can no longer be guaranteed. The Appearance occurs when the process gas temperature to saturated steam temperature decreases.

Um die genannten Nachteile
Überwachung des Umlaufs und Weiterbetrieb bei Gasturbinenausfall im Zwangsumlaufverfahren und
Zusammenbruch des Umlaufs bei Gasturbinenminderleistung und/oder -ausfall beim Naturumlauf
bei dem Verfahren nach DE 36 21 001 abzustellen, wurde eine neue Schaltung entwickelt.To the mentioned disadvantages
Monitoring of circulation and continued operation of gas turbine failure in forced circulation process and
Collapse of the circulation in gas turbine power and / or failure in natural circulation
according to the method DE 36 21 001 A new circuit has been developed.

Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst: Die Wärmeaustauschfläche der Kühleinrichtung wird nicht mehr über separate Rohrleitungen aus der Trommel mit dem Wasser- Dampfgemisch versorgt, das wieder in die Trommel zurückgeführt wird, sondern die Wärmeaustauschfläche wird unmittelbar in den Druckkörper des Dampferzeugers integriert.The Problem was solved according to the invention: The Heat exchange surface of cooling device is not over supplied separate pipes from the drum with the water-vapor mixture, the is returned to the drum, but the heat exchange surface is directly into the pressure hull integrated of the steam generator.

Neben den üblichen zwei Rauchgaszügen – Feuerraum und Konvektions-Rauchgaszug – erhält der Dampferzeuger einen weiteren Zug, nämlich einen hier genannten Gasturbinen-Prozeßgaszug. Er enthält die Wärmeaustauschfläche für die Kühleinrichtung.Next the usual two flues - firebox and convection flue - receives the steam generator another move, namely a gas turbine process gas train mentioned here. He contains the heat exchange surface for the cooling device.

Gasseitig ist die, nun integrierte, Wärmeaustauschfläche beispielsweise in Kesselachse hinter dem Konvektions-Rauchgaszug angeordnet und besitzt vorzugsweise dieselbe Breite wie der Konvektions-Rauchgaszug.gas side is the, now integrated, heat exchange surface, for example arranged in boiler axis behind the convection flue and preferably has the same width as the convection flue.

Wasserseitig ist die integrierte Wärmeaustauschfläche in Form von Kühlrohren in die rückwärtige Seite der Membranwand des Konvektionszuges eingeschweißt. Die Kühlrohre beginnen bei einer geodätischen Höhe von beispielsweise –6400 mm und enden bei –1000 mm (die Trommel hat die geodätische Höhe Null).water side is the integrated heat exchange surface in shape of cooling pipes in the back side welded the membrane wall of the convection. The cooling tubes start at one geodetic Height of for example -6400 mm and end at -1000 mm (the drum has the geodesic Height zero).

Die Wärmeaustauschfläche besteht aus Rohrreihen, deren Anzahl der Membranwandrohre der Rückwand entspricht. Die Rohre sind mehrflutig angeordnet. Als Rohre kommen neben Glattrohren auch Rippenrohre in verschiedenen Ausführungen zum Einsatz.The Heat exchange surface exists from rows of tubes whose number corresponds to the membrane wall tubes of the rear wall. The pipes are arranged in multiple flooding. As tubes come in addition to plain tubes as well Finned tubes in various designs are used.

Die rückwärtige Membranwand des Konvektions-Rauchgaszuges ist zusätzlich stark mit eingestrahlter Wärme aus dem Feuerraum (durch das Gitter hindurch) und dem Wärmepotential des über 900 bis 1100 °C heißen Gaststroms durch den Konvektions-Rauchgaszug beaufschlagt. Der Auftrieb in der Rückwand beträgt auch bei verminderter Gasturbinenleistung oder abgeschalteter Gasturbine noch eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise 1,2 m/s und weist einen Dampfanteil von ca. 8 % auf, der weit unterhalb des kritischen Dampfanteils liegt. Der Naturumlauf des Kessels ist somit auch bei abgeschalteter Gasturbine in keiner Weise beeinträchtigt. Die Umlaufzahl des Druckkörpers mit integrierter Abkühleinheit liegt in allen Bereichen über 10. Die Rückwand erhält zwischen den Anschlußstellen der Kühlrohre die notwendigen, an sich bekannten, Drosselblenden. An Stelle der rückwärtigen Membranwand des Konvektions-Rauchgaszuges kann auch die Feuerraumvorderwand dienen.The rear membrane wall the convection flue is additionally strong with irradiated Heat off the firebox (through the grille) and the heat potential of the over 900 to 1100 ° C be called Gas flow through the convection flue applied. The lift in the rear wall is also at reduced gas turbine power or switched-off gas turbine still a sufficient flow rate for example, 1.2 m / s and has a vapor content of about 8 %, which is far below the critical vapor content. Of the Natural circulation of the boiler is thus also when the gas turbine not impaired in any way. The circulation number of the pressure hull with integrated cooling unit is over in all areas 10. The back wall receives between the connection points the cooling pipes the necessary, known per se, throttle orifices. Instead of rear membrane wall the convection flue can also serve the firebox front wall.

Die damit erzielbaren Vorteile sind:
Stabiler Wasserumlauf bei Gasturbinenteillast und abgeschalteter Gasturbine
Keine Überwachung durch eine sicherheitsgerichtete Strömungsüberwachung
Verminderung des Verfahrensaufwandes durch Entfallen von Rohrleitungen, Sammlern und Umwälzpumpen
Verminderter Flächenbedarf bei geringeren Gebäudekosten
Energieeinsparung an Verlustwärme über die Wärmedämmung durch verkleinerte Kesseloberfläche.The advantages that can be achieved are:
Stable water circulation at gas turbine part load and shut off gas turbine
No monitoring by safety-related flow monitoring
Reduction of process costs by eliminating pipes, collectors and circulating pumps
Reduced space requirement with lower building costs
Energy savings in heat loss through thermal insulation through reduced boiler surface.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im Folgenden beschrieben ist: Das Gasturbinen-Prozeßgas (1) tritt in die Abkühleinrichtung (2) ein, gibt einen Teil seiner Wärme an die Kühlrohre (3) ab und strömt über die Prozeßgas-Leitung (4) in die Luftvorlage einer Feuerung (5). Im Feuerraum (6) findet die chemische Reaktion von Brennstoff und Sauerstoff statt und erzeugt ein Rauchgas von ca. 1000 °C. Das Rauchgas gibt über Strahlung einen Teil seines Wärmeinhaltes an die Membranwände (16) des Feuerraums ab. Anschließend strömt das Rauchgas durch ein Gitter (7) in den Konvektions-Rauchgaszug (8) und verläßt die Anlage am Rauchgasaustritt (10). Das Kühlmedium für die Kühlrohre (3) tritt als Teilstrom aus der Membranwand des Rauchgaszuges (14) an der Stelle einer niedrigen geodätischen Höhe (11) aus, durchströmt bei natürlichem Auftrieb die Kühlrohre (3) und fließt an der Stelle eines höheren geodätischen Niveaus (12) wieder zurück in die Membranwand. An Stelle der Einbindung der Kühlrohre in die Membranwand (14) können die Kühlrohre auch in die Vorderwand (15) des Feuerraums eingebunden sein.The drawing shows an embodiment which is described below: The gas turbine process gas ( 1 ) enters the cooling device ( 2 ), gives some of its heat to the cooling tubes ( 3 ) and flows via the process gas line ( 4 ) in the air original of a furnace ( 5 ). In the firebox ( 6 ) fin The chemical reaction of fuel and oxygen takes place and produces a flue gas of about 1000 ° C. The flue gas releases some of its heat content via radiation to the membrane walls ( 16 ) of the firebox. Then the flue gas flows through a grid ( 7 ) in the convection flue ( 8th ) and leaves the plant at the flue gas outlet ( 10 ). The cooling medium for the cooling tubes ( 3 ) occurs as a partial flow from the membrane wall of the flue ( 14 ) at the location of a low geodesic altitude ( 11 ) flows through, with natural buoyancy, the cooling tubes ( 3 ) and flows at the location of a higher geodesic level ( 12 ) back into the membrane wall. Instead of the integration of the cooling tubes in the membrane wall ( 14 ), the cooling pipes can also be placed in the front wall ( 15 ) of the firebox.

Claims (6)

Verfahren zur Stabilisierung des Wasserumlaufs in einem Wasserrohr-Dampferzeuger, der mit einer Abkühleinrichtung für Gasturbinen-Prozeßgas ausgerüstet ist bei einem kombinierten Gasturbinen-Dampfprozeß, bestehend aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampferzeugungsanlage, die einen Feuerraum, einen Konvektions-Rauchgaszug und eine Abkühleinrichtung für das Gasturbinen-Prozeßgas aufweist, das zur weiteren Wärmenutzung den Feuerraum und den Konvektions-Rauchgaszug durchströmt, wobei der Kühlkreislauf für das Gasturbinen-Prozeßgas in den Naturumlauf der Dampferzeugungsanlage unmittelbar eingebunden ist und mit diesen einen gemeinsamen Umlauf bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium, welches die Kühlrohre durchströmt an einer Stelle mit niedriger geodätischer Höhe des Dampferzeuger-Druckkörpers entnommen und an einer geodätisch höheren Stelle des Dampferzeuger-Druckkörpers wieder zugeführt wird.A method for stabilizing water circulation in a water tube steam generator equipped with a gas turbine process gas cooling means in a combined gas turbine steam process consisting of a gas turbine plant and a steam generating plant comprising a furnace, a convection flue and a gas turbine cooling means Process gas which flows through the combustion chamber and the convection flue gas for further heat utilization, wherein the cooling circuit for the gas turbine process gas is directly integrated into the natural cycle of the steam generating plant and forms a common circulation with these, characterized in that the cooling medium, which the Cooling tubes flowed through at a location with low geodetic height of the steam generator pressure body and fed back to a geodetically higher point of the steam generator pressure body. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium, welches die Kühlrohre durchströmt aus einer an sich bekannten Membranwand in Rohr-Steg-Rohr-Ausführung des Dampferzeuger-Druckkörpers entnommen und an einer höheren Stelle der Membranwand wieder zugeführt wird.Method according to claim 1, characterized that this Cooling medium, which the cooling pipes flows through from a known membrane wall in pipe-web-tube design of the Boiler pressure body taken and at a higher Place the membrane wall is fed again. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium, welches die Kühlrohre durchströmten am oberen Sammler derselben Membranwand wieder zugeführt wird.Method according to claims 1 and 2, characterized that this Cooling medium, which the cooling pipes perfused is fed back to the upper collector of the same membrane wall. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Membranwand, welche die Kühlrohre versorgt, gleichzeitig die Rückwand des Konvektions-Rauchzugs ist.Method according to claims 1 and 2, characterized that the Membrane wall containing the cooling tubes supplies, at the same time the back wall the convection flue is. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Membranwand, welche die Kühlrohre versorgt, gleichzeitig die Vorderwand des Feuerraumzugs ist.Method according to claims 1 and 2, characterized that the Membrane wall containing the cooling tubes supplied, at the same time the front wall of the Feuerraumzugs is. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre in Anordnung einer an sich bekannten Fahnenheizfläche ausgeführt sind.The method of claim 1, 2, 3, 4 and 5 characterized characterized in that cooling pipes are designed in arrangement of a known flag heating surface.
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