DE4126631A1 - Gasbeheizter abhitzedampferzeuger - Google Patents
Gasbeheizter abhitzedampferzeugerInfo
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- F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
- F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
- F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
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Description
Die Erfindung betrifft gasbeheizte Abhitzedampferzeuger mit
einem Umlauf-Dampferzeuger in einer Niederdruckstufe und mit je
einem Benson-Verdampfer in einer Mitteldruck- und in einer Hoch
druckstufe. Dabei sind die Verdampfer im Gleichstrom und alle
anderen Wärmetauscher im Gegenstrom zum heizenden Gasstrom
geführt. Ein derartiger gasbeheizter Abhitzedampferzeuger ist
durch die PCT/DE 89/00081 bekannt geworden.
Durch einen Aufsatz "Zwangdurchlauf-Dampferzeuger im Abgas
system einer Gasturbine", veröffentlicht in der Zeitschrift
EVT-Register 45/86 auf den Seiten 59 bis 63, ist auch schon
die Auslegung und der Betrieb von Abhitzedampferzeugern hinter
Gasturbinen bekannt. In Einzelrohren von bei dieser Anordnung
eingesetzten Parallelrohrsystemen treten bei ungünstigen Ver
hältnissen Instabilitäten in der Strömung auf der Wasser-Dampf-
Seite auf. Diese Instabilitäten sind bei der bekannten Anordnung
durch wasserseitig eingebaute Drosseln unterdrückt. Diese
Drosseln erhöhen jedoch in unerwünschter Weise eine für die
Wassereinspeisung erforderliche Pumpenleistung. Außerdem
neigen diese Drosseln zum Verstopfen mit der Folge sinkender
Wärmeleistung der zugehörigen Einzelrohre und einer Erhöhung
der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Rohrreißern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
gasbeheizten Abhitzedampferzeuger zu schaffen, dessen wasser
seitig parallel geschaltete Einzelrohre in einem überwiegend
konvektiv beheizten Verdampfer von annähernd gleich großen
Wassermengen durchströmt werden, so daß in den Einzelrohren
auch annähernd gleich große Wärmemengen umgesetzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
Benson-Verdampfer der Hochdruckstufe aus zwei je für sich im
Gleichstrom mit dem Gasstrom geführten Teilen besteht und daß
die in diesen Teilen umgesetzten Wärmemengen zueinander im
Verhältnis 7 : 3 bis 7 : 1 stehen und daß der vom Wasser-
Dampf-Gemisch zuerst durchströmte Teil im Gasstrom gegenüber
dem zweiten Teil stromab liegt.
Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung liegt die
Eintrittstemperatur des Wassers in den ersten Teil des Hoch
druckverdampfers deutlich unterhalb und die Austrittstempera
tur des erzeugten Wasserdampfes bei Verlassen des zweiten
Teils des Hochdruckverdampfers deutlich oberhalb der Siede
temperatur und bleibt die Wärmemengenaufteilung auf die beiden
Teile des Hochdruckverdampfers auch bei Momentanlasten von 40%
bis 150% der Nennlast zwischen 7 : 3 und 10 : 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß
sich die in der Niederdruckstufe, der Mitteldruckstufe und der
Hochdruckstufe erzeugten Dampfmengen zueinander etwa verhalten
wie 1 : 3 10 und daß jeder der beiden Teile des Hochdruck-
Verdampfers aus einer Vielzahl von wasserseitig parallel ge
schalteten Rohren aufgebaut ist. Darüber hinaus ist es häufig
zweckmäßig, zwischen den beiden Teilen des Hochdruck-Verdamp
fers sowie am Eingang des ersten Teils und am Ausgang des
zweiten Teils des Hochdruck-Verdampfers eine Druckausgleichs
trommel vorzusehen.
Erfindungsgemäß aufgebaute gasbeheizte Abhitzedampferzeuger
sind sehr vorteilhaft, weil praktisch keine zu Regelungszwecken
erhöhten Druckverluste, beispielsweise infolge eines Einsatzes
von Drosseln, auftreten und trotzdem maximal mögliche Wärmemen
gen sicher übertragen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer
Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen als Abhitzedampferzeuger gestalteten Teil
eines Abgaskanals und
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt hieraus in größerem Maßstab.
Einander entsprechende Bauteile sind in beiden Figuren mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
In einen Abgaskanal 1 sind Wärmetauscher eines Abhitzedampf
erzeugers eingebaut. Der Abgaskanal 1 wird von unten nach oben
von heißem Abgas 2 durchströmt. Als Abgas 2 dient beispiels
weise aus einer Gasturbine zu einem Kamin strömendes
entspanntes noch heißes Arbeitsgas oder in einem geschlossenen
Kreis jeweils in einem Hochtemperaturreaktor aufgeheiztes Gas.
Die Temperatur des Abgases 2 liegt am unteren Ende des Abhitze
dampferzeugers beispielsweise über 750 K und am oberen Ende
beispielsweise unter 400 K.
In den Abgaskanal 1 sind als Wärmetauscher von oben nach unten
aufeinander folgend eingebaut ein Kondensatvorwärmer KVW, ein
Niederdruck-Verdampfer ND VD, ein erster Hochdruck-Economizer
HD ECO 1, ein Niederdruck-Überhitzer NDÜ, ein Mitteldruck-Ver
dampfer MDVD, ein zweiter Hochdruck-Economizer HD ECO 2, ein
Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, ein erster Teil HDVD 1 eines Hoch
druck-Verdampfers, ein zweiter Teil HDVD 2 des Hochdruck-Ver
dampfers, ein Zwischendruck-Überhitzer (ZDÜ) sowie ein Hoch
druck-Überhitzer (HDÜ). Dabei liegen der Hochdruck-Econo
mizer HD ECO 2 und der Mitteldruck-Überhitzer MDÜ im Abgas
kanal 1 nebeneinander auf dem gleichen Temperaturhorizont.
Entsprechendes gilt für einen anderen Temperaturhorizont, für
den Zwischendruck-Überhitzer ZÜ und den Hochdruck-Überhitzer
HDÜ.
Die Wärmetauscher werden in Richtung von kleinen in sie einge
zeichneten Pfeilen 3 von Wasser bzw. Wasserdampf eines Wasser-
Dampf-Kreislaufs durchströmt. Demzufolge ist die Strömungs
richtung des Wasser-Dampf-Kreises im Kondensatvorwärmer KVW im
Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und 2, im Niederdruck-Überhitzer
NDÜ, im Mitteldruck-Überhitzer MDÜ, im Zwischendruck-Überhitzer
ZÜ sowie im Hochdruck-Überhitzer HDÜ der Strömungsrichtung
des Abgases 2 entgegengerichtet. Dagegen sind die Strömungs
richtung des Abgases 2 und des Wassers bzw. des Dampfes im
Niederdruck-Verdampfer ND VD, im Mitteldruck-Verdampfer MD VD
sowie in den beiden Teilen des Hochdruck-Verdampfers HD VD 1
und 2 gleichgerichtet.
Durch teilweise außerhalb des Abgaskanals 1 angeordnete
Verbindungsleitungen sind die einzelnen Wärmetauscher mitein
ander verknüpft. Dabei liegt zwischen dem Niederdruck-Verdamp
fer ND VD und dem Niederdruck-Überhitzer NDÜ die Verbindungs
leitung 4, zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem
Hochdruck-Economizer HD ECO 2 die Verbindungsleitung 5,
zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 1 und dem Mitteldruck-
Verdampfer MD VD die Verbindungsleitung 6, zwischen dem Mittel
druck-Verdampfer MD VD und dem Mitteldruck-Überhitzer MDÜ die
Verbindungsleitung 7, zwischen dem Mitteldruck-Überhitzer MDÜ
und dem Zwischendruck-Überhitzer ZDÜ die Verbindungsleitung 8,
zwischen dem Hochdruck-Economizer HD ECO 2 und dem Hochdruck
verdampfer HD VD 1 die Verbindungsleitung 9, zwischen dem Hoch
druck-Verdampfer HD VD 1 und dem Hochdruckverdampfer HD VD 2
die Verbindungsleitung 10 sowie zwischen dem Hochdruck Verdamp
fer HD VD 2 und dem Hochdruck-Überhitzer HDÜ die Verbindungs
leitung 11. In die Verbindungsleitung 6 ist ein Ventil 12 und
in die Verbindungsleitung 9 ist ein Ventil 13 eingeschaltet.
Das Ventil 12 dient auch zur Reduktion des Drucks auf den für
den Mitteldruckteil vorgesehenen Druckwert. Die im Niederdruck-
Verdampfer ND VD erzeugte Dampfmenge verhält sich zu der im
Mitteldruck-Verdampfer ND VD und zu der im Hochdruck-Verdampfer
HD VD 1 und 2 erzeugten Dampfmenge etwa wie 1 : 3 : 10.
Die einzelnen Wärmetauscher sind zur Erzielung erforderlicher
Wärmeübertragungsflächen jeweils aus einer Vielzahl, beispiels
weise aus mehr als 1000, untereinander parallel geschalteten
Einzelrohren zusammengesetzt. Dies gilt vor allem für den als
Benson-Verdampfer ausgeführten Hochdruck-Verdampfer aus den
beiden Teilen HD VD 1 und HD VD 2.
Beim Einsatz von Abhitzedampferzeugern im Abgasstrom von Gas
turbinen oder im Kühlmittelstrom von Hochtemperatur-Kernreakto
ren treten in einteilig ausgeführten Hochdruckverdampfern mit
unter im Verhältnis der Einzelrohre zueinander indifferente
Strömungsverhältnisse auf. Überraschend hat sich nun gezeigt,
daß bei einer Teilung des Hochdruckverdampfers HD VD in zwei
Teile HD VD 1 und HD VD 2 im Verhältnis 7 : 1 bis 10: 1 oder
umgekehrt die Strömungsverhältnisse stabil bleiben, wenn der
Hochdruckverdampfer HD VD 2 im Abgasstrom 2 vor dem Hochdruck
verdampfer HD VD 1 liegt. Diese stabilen Strömungsverhältnisse
bleiben auch beim Teillastbetrieb bis unter 40% der Nennlast
und bei Überlastbetrieb bis zu 150% der Nennlast erhalten.
Dieses strömungstechnische Verhalten der Hochdruck-Verdampfer
teile HD VD 1 und HD VD 2 wird noch zusätzlich gestützt durch
die Anordnung eines nicht dargestellten Eintrittssammlers 14
am Eingang des Hochdruckverdampfers HD VD 1 und eines Aus
trittssammlers 15 am Ausgang des Hochdruckverdampfers HD VD 2.
Der Eintrittssammler 14 und der Austrittssammler 15 dienen
gleichzeitig als Druckausgleichstrommel und gewährleisten, daß
die Eintrittstemperatur des Wassers in den Hochdruck-Verdampfer
HD VD 1 deutlich unterhalb und die Austrittstemperatur des den
Hochdruck-Verdampfer HD VD 2 verlassenden Wasserdampfes deut
lich über der Siedetemperatur bei dem betriebsmäßig vorgesehe
nen Hochdruck liegen. In Ausnahmefällen kann es auch zweck
mäßig sein, zwischen den beiden Teilen HD VD 1 und HD VD 2 des
Hochdruck-Verdampfers eine Druckausgleichstrommel vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Aufteilung des Hochdruckverdampfers in
die Teile HDVD 1 und HDVD 2 ist nicht auf die Anwendung in
Abhitzedampferzeugern beschränkt, sondern bei entsprechenden
Druck-, Temperatur- und Mengenverhältnissen auch in beliebi
gen anderen Dampferzeugern anwendbar.
Claims (7)
1. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger mit einem Umlaufdampf
erzeuger (ND VD) in einer Niederdruckstufe (NDÜ) und mit je
einem Bensonverdampfer in einer Mitteldruck- (MD VD, MDÜ)
und in einer Hochdruckstufe (HD VD, HDÜ), wobei die Verdampfer
(VD) im Gleichstrom und alle anderen Wärmetauscher im Gegen
strom zum heizenden Gasstrom (2) geführt sind,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Bensonverdampfer der Hochdruckstufe aus zwei je für sich im Gleichstrom mit dem Gasstrom (2) geführten Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) besteht,
- - daß die in diesen Teilen (HD VD 1 und HD VD 2) umgesetzten Wärmemengen zueinander im Verhältnis 7 : 3 bis 10 : 1 stehen und
- - daß der vom Wasser-Dampf-Gemisch zuerst durchströmte Teil (HD VD 1) im Gasstrom (2) gegenüber dem zweiten Teil (HD VD 2) stromab liegt.
2. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ein
trittstemperatur des Wassers in den ersten Teil (HD VD 1) des
Hochdruck-Verdampfers deutlich unterhalb und die Austritts
temperatur des erzeugten Wasserdampfes beim Verlassen des
zweiten Teils (HD VD 2) des Hochdruck-Verdampfers deutlich
oberhalb der Siedetemperatur bei dem betriebsmäßigen Hochdruck
liegt.
3. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach Anspruch 1, (?)
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
mengenaufteilung auf die beiden Teile (HD VD 1 und HD VD 2)
des Hochdruck-Verdampfers auch bei Momentanlasten von 40% bis
150% der Nennlast zwischen 7 : 3 und 10 : 1 liegt.
4. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche
l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die in der Niederdruckstufe (ND VD, NDÜ), der Mitteldruck
stufe (MD VD, MDÜ) und der Hochdruckstufe (HD VD 1 und HD VD 2,
HDÜ) erzeugten Dampfmengen zueinander verhalten wie 1 : 3 : 10.
5. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder der beiden Teile des Hochdruck-Verdampfers (HD VD 1 und
HD VD 2) aus einer Vielzahl von wasserseitig parallel geschal
teten Rohren besteht.
6. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
am Eingang des Hochdruck-Verdampferteils (HD VD 1) und am
Ausgang des Hochdruck-Verdampferteils (HD VD 2) ein Eintritts
sammler (14) bzw. ein Austrittssammler (15) als Druckausgleichs
trommel vorgesehen sind.
7. Gasbeheizter Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
auch zwischen den beiden Teilen des Hochdruck-Verdampfers (HD VD 1
und HD VD 2) eine Druckausgleichstrommel liegt.
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