EP1144910B1

EP1144910B1 - Fossilbeheizter dampferzeuger

Info

Publication number: EP1144910B1
Application number: EP00902545A
Authority: EP
Inventors: Joachim Franke; Rudolf Kral
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 2000-01-10
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2020-01-10
Also published as: CN1287111C; CN1192187C; KR100776423B1; CN1550710A; US6446584B1; DE50015236D1; KR20010112243A; ES2307493T3; DE19901621A1; JP4953506B2; WO2000042352A1; US20020026905A1; CA2359936A1; JP2002535587A; DK1144910T3; CA2359936C; RU2221195C2; CN1336997A; EP1144910A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger mit einer ersten und einer zweiten Brennkammer, die jeweils eine Anzahl von Brennern für fossilen Brennstoff aufweisen, wobei die erste und die zweite Brennkammer für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt sind, wobei die erste und die zweite Brennkammer in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug münden.
Bei einer Kraftwerksanlage mit einem Dampferzeuger wird der Energiegehalt eines Brennstoffs zur Verdampfung von einem Strömungsmedium im Dampferzeuger genutzt. Der Dampferzeuger weist zur Verdampfung des Strömungsmediums Verdampferrohre auf, deren Beheizung zu einer Verdampfung des darin geführten Strömungsmediums führt. Der durch den Dampferzeuger bereitgestellte Dampf wiederum kann beispielsweise für einen angeschlossenen externen Prozeß oder aber für den Antrieb einer Dampfturbine vorgesehen sein. Treibt der Dampf eine Dampfturbine an, so wird über die Turbinenwelle der Dampfturbine üblicherweise ein Generator oder eine Arbeitsmaschine betrieben. Im Falle eines Generators kann der durch den Generator erzeugte Strom zur Einspeisung in ein Verbund- und/oder Inselnetz vorgesehen sein.
Der Dampferzeuger kann dabei als Durchlaufdampferzeuger ausgebildet sein. Ein Durchlaufdampferzeuger ist aus dem Aufsatz "Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger" von J. Franke, W. Köhler und E. Wittchow, veröffentlicht in VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Heft 4, S. 352-360, bekannt. Bei einem Durchlaufdampferzeuger führt die Beheizung von als Verdampferrohren vorgesehenen Dampferzeugerrohren zu einer Verdampfung des Strömungsmediums in den Dampferzeugerrohren in einem einmaligen Durchlauf.
Fossilbeheizte Dampferzeuger sind üblicherweise für eine bestimmte Art und Qualität des Brennstoffs und für einen bestimmten Leistungsbereich ausgelegt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer des Dampferzeugers in ihren Hauptabmessungen, also Länge, Breite, Höhe, an die Verbrennungs- und Asche-Eigenschaften des vorgegebenen Brennstoffs und an den vorgegebenen Leistungsbereich angepaßt ist. Daher weist jeder Dampferzeuger mit seinem ihm zugeordneten Brennstoff und Leistungsbereich eine individuelle Konstruktion der Brennkammer in Bezug auf die Hauptabmessungen auf.
Soll nun die Brennkammer eines Dampferzeugers neu konzipiert werden, beispielsweise für einen neuen Leistungsbereich und/oder einen Brennstoff anderer Art oder Qualität, so kann auf Planungsunterlagen von bereits bestehenden Dampferzeugern zurückgegriffen werden. Mit Hilfe der Unterlagen erfolgt dann üblicherweise eine Anpassung der Hauptabmessungen der Brennkammer an die Anforderungen des neu zu konstruierenden Dampferzeugers. Trotz dieser vereinfachenden Maßnahme ist die Auslegung eines Dampferzeugers für neu vorgegebene Randbedingungen jedoch aufgrund der Komplexität der zugrunde liegenden Systeme noch mit einem vergleichsweise hohen Konstruktionsaufwand verbunden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der jeweilige Dampferzeuger einen besonders hohen Gesamtwirkungsgrad aufweisen soll.
Durchlaufdampferzeuger werden üblicherweise mit einer Brennkammer in vertikaler Bauweise ausgeführt. Dies bedeutet, daß die Brennkammer für eine Durchströmung des beheizenden Mediums oder Heizgases in annähernd vertikaler Richtung ausgelegt ist. Heizgasseitig kann der Brennkammer dabei ein Horizontalgaszug nachgeschaltet sein, wobei beim Übergang von der Brennkammer in den Horizontalgaszug eine Umlenkung des Heizgasstroms in eine annähernd horizontale Strömungsrichtung erfolgt. Die Brennkammer erfordert jedoch im allgemeinen aufgrund der temperaturbedingten Längenänderungen der Brennkammer ein Gerüst, an dem die Brennkammer aufgehängt wird. Dies bedingt einen erheblichen technischen Aufwand bei der Herstellung und Montage des Durchlaufdampferzeugers, der um so größer ist, je größer die Bauhöhe des Durchlaufdampferzeugers ist.
Im Gegensatz dazu kann ein mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zu erstellendes Gerüst einhergehen mit einer besonders geringen Bauhöhe des Dampferzeugers. Ein besonders einfaches Konzept für einen modular aufgebauten Dampferzeuger bietet daher ein in horizontaler Bauweise ausgeführter Verbrennungsraum mit einer ersten und einer zweiten Brennkammer, wobei die erste und die zweite Brennkammer für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung des Heizgases ausgelegt sind, wobei die erste und die zweite Brennkammer in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug münden. Dabei sind die Brenner an der Stirnwand der ersten Brennkammer und an der Stirnwand der zweiten Brennkammer angeordnet, also an derjenigen Umfassungswand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, die der Abströmöffnung zum Horizontalgaszug gegenüberliegt, und sowohl in der ersten als auch in der zweiten Brennkammer in der Höhe des Horizontalgaszugs in der Brennkammerwand angeordnet. Somit werden die beiden Brennkammern beim Betrieb des Dampferzeugers vom Heizgas in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung durchströmt. Ein derartiger Dampferzeuger ist aus der AT 376 026 B bekannt.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger dieser Art anzugeben, bei dem Materialschäden und eine unerwünschte Verschmutzung des Horizontalgaszuges, beispielsweise aufgrund des Eintrags von schmelzflüssiger Asche einer hohen Temperatur, besonders gering gehalten sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die durch den Abstand von der Stirnwand zum Eintrittsbereich des Horizontalgaszuges definierte Länge L der ersten und der zweiten Brennkammer mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers ist. Diese horizontale Länge L der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer wird im allgemeinen größer als die Höhe der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, gemessen von der Trichteroberkante bis zur Brennkammerdecke, betragen.
Der Dampferzeuger ist somit an die Ausbrandlänge des Brennstoffs anpaßbar. Unter Ausbrandlänge des Brennstoffs ist dabei die Heizgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit t_A des Brennstoffs zu verstehen. Die für den jeweiligen Dampferzeuger maximale Ausbrandlänge ergibt sich dabei bei der Dampfleistung des Dampferzeugers bei Vollast, dem sogenannten Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Die Ausbrandzeit t_A wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe benötigt, um bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur vollständig auszubrennen.

Die Länge L (angegeben in m) der ersten bzw. der zweiten Brennkammer ist für eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Funktion des BMCR-Werts W (angegeben in kg/s) des Dampferzeugers, der Anzahl N der Brennkammern, der Ausbrandzeit t_A (angegeben in s) des Brennstoffs und der Austrittstemperatur T_BRK (angegeben in °C) des Heizgases aus den Brennkammern gewählt. BMCR steht für Boiler maximum continuous rating und ist der international üblicherweise verwendete Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Dabei gilt bei gegebenem BMCR-Wert W und gegebener Anzahl der Brennkammern N für die Länge L der ersten und der zweiten Brennkammer näherungsweise der größere Wert der beiden Funktionen (1) und (2):

L (W N t_{A}) = (C_{1} + C_{2} \cdot W / N) \cdot t_{A}

L (W N T_{BRK}) = (C_{3} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{4}) (W / N) + C_{5} {(T_{BRK} - C_{8})}^{2} + C_{6} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{7}

mit

C₁ = 8 m/s	und
C₂ = 0,0057 m/kg	und
C₃ = -1,905 · 10^-4 (m · s) / (kg°K)	und
C₄ = 0,286 (s · m) /kg	und
C₅ = 3 · 10^-4 m/(°K)²	und
C₆ = -0,842 m/°K	und
C₇ = 603,41 m	und
C₈ = 273,15 K

Unter "näherungsweise" ist hierbei eine zulässige Abweichung vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert um +20%/-10% zu verstehen.
Die Stirnwand der ersten Brennkammer und die Stirnwand der zweiten Brennkammer, sowie die Seitenwände der ersten bzw. der zweiten Brennkammer, des Horizontalgaszuges und/oder des Vertikalgaszuges sind vorteilhafterweise aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohren gebildet, wobei eine Anzahl der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre jeweils parallel mit Strömungsmedium beaufschlagbar ist.
Für eine besonders gute Wärmeübertragung von der Wärme der ersten und der zweiten Brennkammer auf das in den jeweiligen Verdampferrohren geführte Strömungsmedium weist vorteilhafterweise eine Anzahl der Verdampferrohre auf ihrer Innenseite jeweils ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen auf. Dabei ist vorteilhafterweise ein Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene und den Flanken der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°.
In einem beheizten, als Verdampferrohr ohne Innenberippung, einem sogenannten Glattrohr, ausgeführten Verdampferrohr kann nämlich von einem bestimmten Dampfgehalt an die für einen besonders guten Wärmeübergang erforderliche Benetzung der Rohrwand nicht mehr aufrechterhalten werden. Bei fehlender Benetzung kann eine stellenweise trockene Rohrwand vorliegen. Der Übergang zu einer derartigen trockenen Rohrwand führt zu einer Art Wärmeübergangskrise mit verschlechtertem Wärmeübergangsverhalten, so daß im allgemeinen die Rohrwandtemperaturen an dieser Stelle besonders stark ansteigen. In einem innenberippten Rohr tritt aber nun im Vergleich zu einem Glattrohr diese Krise des Wärmeübergangs erst bei einem Dampfmassengehalt > 0,9, also kurz vor dem Ende der Verdampfung, auf. Das ist auf den Drall zurückzuführen, den die Strömung durch die spiralförmigen Rippen erfährt. Aufgrund der unterschiedlichen Zentrifugalkraft wird der Wasser- vom Dampfanteil separiert und an die Rohrwand gedrückt. Dadurch wird die Benetzung der Rohrwand bis zu hohen Dampfgehalten aufrechterhalten, so daß am Ort der Wärmeübergangskrise bereits hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Das bewirkt trotz der Wärmeübergangskrise einen relativ guten Wärmeübergang und als Folge niedrige Rohrwandtemperaturen.
Eine Anzahl der Verdampferrohre der Brennkammer weist vorteilhafterweise Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums auf. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Mittel als Drosseleinrichtungen ausgebildet sind. Drosseleinrichtungen können beispielsweise Einbauten in die Verdampferrohre sein, die an einer Stelle im Inneren des jeweiligen Verdampferrohres den Rohrinnendurchmesser verkleinern. Dabei erweisen sich auch Mittel zum Reduzieren des Durchflusses in einem mehrere parallele Leitungen umfassenden Leitungssystems als vorteilhaft, durch das den Verdampferrohren der Brennkammer Strömungsmedium zuführbar ist. In einer Leitung oder in mehreren Leitungen des Leitungssystems können dabei beispielsweise Drosselarmaturen vorgesehen sein. Mit solchen Mitteln zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums durch die Verdampferrohre läßt sich eine Anpassung des Durchsatzes des Strömungsmediums durch einzelne Verdampferrohre an deren jeweilige Beheizung in der Brennkammer herbeiführen. Dadurch sind zusätzlich Temperaturunterschiede des Strömungsmediums am Austritt der Verdampferrohre besonders zuverlässig besonders gering gehalten.
Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre sind vorteilhafterweise über Metallbänder, sogenannte Flossen, gasdicht miteinander verschweißt. Die Flossenbreite beeinflußt den Wärmeeintrag in die Dampferzeugerrohre. Daher ist die Flossenbreite vorzugsweise abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre im Dampferzeuger an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil angepaßt. Als Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung, wie beispielsweise ein stufenförmiges Beheizungsprofil, vorgegeben sein. Durch die geeignet gewählten Flossenbreiten ist auch bei stark unterschiedlicher Beheizung verschiedener Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre ein Wärmeeintrag in alle Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre derart erreichbar, daß Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre besonders gering gehalten sind. Auf diese Weise sind vorzeitige Materialermüdungen zuverlässig verhindert. Dadurch weist der Dampferzeuger eine besonders lange Lebensdauer auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rohrinnendurchmesser einer Anzahl der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre in der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gewählt. Auf diese Weise sind eine Anzahl der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil anpaßbar. Dadurch sind besonders zuverlässig Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampferrohre der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gering gehalten.
Vorteilhafterweise ist jeweils einer Anzahl von parallel geschalteten Verdampferrohren, die der ersten oder der zweiten Brennkammer zugeordnet sind, für das Strömungsmedium ein gemeinsames Eintrittssammler-System vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System nachgeschaltet. Ein in dieser Ausgestaltung ausgeführter Dampferzeuger ermöglicht einen zuverlässigen Druckausgleich zwischen den parallel geschalteten Verdampferrohren und somit eine besonders günstige Verteilung des Strömungsmediums bei der Durchströmung der Verdampferrohre. Dabei kann dem jeweiligen Eintrittssammlersystem ein mit Drosselarmaturen versehenes Leitungssystem vorgeschaltet sein. Dadurch ist in besonders einfacher Weise der Durchsatz des Strömungsmediums durch das Eintrittssammlersystem und die parallel geschalteten Verdampferrohre einstellbar.
Die Verdampferrohre der Stirnwand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer sind vorteilhafterweise den Verdampferrohren der Seitenwände der ersten bzw. der zweiten Brennkammer strömungsmediumsseitig vorgeschaltet. Dadurch ist eine besonders günstige Kühlung der Stirnwand der ersten bzw. der zweiten Brennkammer gewährleistet.
In dem Horizontalgaszug sind vorteilhafterweise eine Anzahl von Überhitzerheizflächen angeordnet, die annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet sind. Diese in hängender Bauweise angeordneten, auch als Schottheizflächen bezeichneten, Überhitzerheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren der ersten bzw. der zweiten Brennkammer nachgeschaltet. Hierdurch ist eine besonders günstige Ausnutzung der über die Brenner zugeführten Heizgaswärme gewährleistet.
Vorteilhafterweise weist der Vertikalgaszug eine Anzahl von Konvektionsheizflächen auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Heizgases angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre einer Konvektionsheizfläche sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums parallel geschaltet. Auch diese Konvektionsheizflächen werden überwiegend konvektiv beheizt.
Um eine besonders einfache Auslegung für eine bestimmte Art und Qualität des Brennstoffs sowie für einen vorgegebenen Leistungsbereich des Dampferzeugers zu erlauben, ist der Aufbau der Brennkammer vorteilhafterweise in modularer Weise vorgesehen. Dabei erweisen sich gleichartige Module als besonders einfach in der Handhabung und erlauben in Bezug auf eine gewünschte Leistungsauslegung der Brennkammer ein besonders hohes Maß an Flexibilität. Durch die Module sollte die Brennkammer zudem besonders einfach zu vergrößern oder zu verkleinern sein.
Um weiterhin eine besonders vollständige Ausnutzung der Wärme des Heizgases zu gewährleisten, weist der Vertikalgaszug vorteilhafterweise einen Economizer auf.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das Konzept eines modularen Aufbaus der Brennkammer des Dampferzeugers dieser einen besonders geringen Konstruktions- und Herstellungsaufwand erfordert. Statt der jeweiligen Neukonstruktion der Dimensionierung der Brennkammer ist nun bei der Auslegung der Brennkammer des Dampferzeugers für einen vorgegebenen Leistungsbereich und/oder eine bestimmte Brennstoffqualität nur das Hinzufügen oder Entfernen einer oder mehrerer Brennkammern vorgesehen. Dabei können ab einer gewissen Leistungsgröße des Dampferzeugers anstelle einer neuauszulegenden Brennkammer zwei oder mehrere Brennkammern kleinerer Leistung einem gemeinsamen Horizontalgaszug gasseitig parallel vorgeschaltet sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1: schematisch einen fossil beheizten Dampferzeuger in Zweizugbauart der Länge nach in Seitenansicht,
FIG 2: schematisch einen Längsschnitt durch ein einzelnes Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohr,
FIG 3: schematisch eine Ansicht der Front des Dampferzeugers und
FIG 4: ein Koordinatensystem mit den Kurven K₁ bis K₆.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Dampferzeuger 2 gemäß Figur 1 ist einer nicht näher dargestellten Kraftwerksanlage zugeordnet, die auch eine Dampfturbinenanlage umfaßt. Der im Dampferzeuger erzeugte Dampf wird dabei zum Antrieb der Dampfturbine genutzt, die ihrerseits wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Der durch den Generator erzeugte Strom ist dabei zur Einspeisung in ein Verbund- oder ein Inselnetz vorgesehen. Weiterhin kann auch eine Abzweigung einer Teilmenge des Dampfs zur Einspeisung in einen an die Dampfturbinenanlage angeschlossenen externen Prozeß vorgesehen sein, wobei es sich um einen Heizprozeß handeln kann.
Der fossil beheizte Dampferzeuger 2 gemäß Figur 1 ist vorteilhafterweise als Durchlaufdampferzeuger ausgeführt. Er umfaßt eine erste horizontale Brennkammer 4 und eine zweite horizontale Brennkammer 5, von denen aufgrund der in der Figur 1 dargestellten Seitenansicht des Dampferzeugers 2 nur eine zu sehen ist. Den Brennkammern 4 und 5 des Dampferzeugers 2 ist heizgasseitig ein gemeinsamer Horizontalgaszug 6 nachgeschaltet, der in einen Vertikalgaszug 8 mündet. Die Stirnwand 9 und die Seitenwände 10 der ersten Brennkammer 4 bzw. zweiten Brennkammer 5 sind jeweils aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren 11 gebildet, wobei jeweils eine Anzahl der Verdampferrohre 11 parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar ist. Zusätzlich können auch die Seitenwände 12 des Horizontalgaszuges 6 bzw. 13 des Vertikalgaszuges 8 aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Dampferzeugerrohren 14 bzw. 15 gebildet sein. In diesem Fall sind die Dampferzeugerrohre 14, 15 ebenfalls jeweils parallel mit Strömungsmedium S beaufschlagbar.
Die Verdampferrohre 11 weisen - wie in Figur 2 dargestellt - auf ihrer Innenseite Rippen 40 auf, die eine Art mehrgängiges Gewinde bilden und eine Rippenhöhe R haben. Dabei ist der Steigungswinkel α zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene 41 und den Flanken 42 der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen 40 kleiner als 55°. Dadurch werden ein besonders hoher Wärmeübergang von der Innenwand der Verdampferrohre 11 an das in den Verdampferrohren 11 geführte Strömungsmedium S und gleichzeitig besonders niedrige Temperaturen der Rohrwand erreicht.
Benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 sind in nicht näher dargestellter weise über Flossen gasdicht miteinander verschweißt. Durch eine geeignete Wahl der Flossenbreite kann nämlich die Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 beeinflußt werden. Daher ist die jeweilige Flossenbreite abhängig von der Position der jeweiligen Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 im Dampferzeuger 2 an ein gasseitig vorgebbares Beheizungsprofil angepaßt. Das Beheizungsprofil kann dabei ein aus Erfahrungswerten ermitteltes typisches Beheizungsprofil oder auch eine grobe Abschätzung sein. Dadurch sind Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 auch bei stark unterschiedlicher Beheizung der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre 11, 14, 15 besonders gering gehalten.
Auf diese Weise sind Materialermüdungen zuverlässig verhindert, was eine lange Lebensdauer des Dampferzeugers 2 gewährleistet.
Der Rohrinnendurchmesser D der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre 11 in der Brennkammer 4 bzw. 5 gewählt. Auf diese Weise ist der Dampferzeuger 2 an die unterschiedlich starke Beheizung der Verdampferrohre 11 angepaßt. Diese Auslegung der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 gewährleistet besonders zuverlässig, daß Temperaturunterschiede am Auslaß der Verdampferrohre 11 besonders gering gehalten sind.
Einer Anzahl der Verdampferrohre 11 der Seitenwände 10 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist strömungsmediumsseitig jeweils ein Eintrittssammler-System 16 für Strömungsmedium S vorgeschaltet und jeweils ein Austrittssammler-System 18 nachgeschaltet. Das Eintrittssammler-System 16 umfaßt dabei eine Anzahl von parallel geschalteten Eintrittssammlern. Zum Zuführen von Strömungsmedium S in das Eintrittssammler-System 16 der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 ist ein Leitungssystem 19 vorgesehen. Das Leitungssystem 19 umfaßt mehrere parallel geschaltete Leitungen, die jeweils mit einem der Eintrittssammler des Eintrittssammler-Systems 16 verbunden sind. Dadurch ist ein Druckausgleich der parallel geschalteten Verdampferrohre 11 möglich, der eine besonders günstige Verteilung des Strömungsmediums S bei der Durchströmung der Verdampferrohre 11 bewirkt.
Als Mittel zum Reduzieren des Durchflusses des Strömungsmediums S sind ein Teil der Verdampferrohre 11 mit Drosseleinrichtungen ausgestattet, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. Die Drosseleinrichtungen sind als den Rohrinnendurchmesser D verkleinernde Lochblenden ausgeführt und bewirken beim Betrieb des Dampferzeugers 2 eine Reduzierung des Durchsatzes des Strömungsmediums S in minderbeheizten Verdampferrohren 11, wodurch der Durchsatz des Strömungsmediums S der Beheizung angepaßt wird. Weiterhin sind als Mittel zum Reduzieren des Durchsatzes des Strömungsmediums S in einer Anzahl der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 eine oder mehrere in der Zeichnung nicht näher dargestellte Leitungen des Leitungssystems 19 mit Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarmaturen, ausgestattet.
Bei der Berohrung der ersten und der zweiten Brennkammer 4, 5 ist zu berücksichtigen, daß die Beheizung der einzelnen, miteinander gasdicht verschweißten Verdampferrohre 11 beim Betrieb des Dampferzeugers 2 sehr unterschiedlich ist. Deswegen wird die Auslegung der Verdampferrohre 11 hinsichtlich ihrer Innenberippung, Flossenverbindung zu benachbarten Verdampferrohren 11 und ihres Rohrinnendurchmessers D so gewählt, daß alle Verdampferrohre 11 trotz unterschiedlicher Beheizung annähernd gleiche Austrittstemperaturen aufweisen und eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohre 11 für alle Betriebszustände des Dampferzeugers 2 gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dadurch gewährleistet, daß der Dampferzeuger 2 für eine vergleichsweise niedrige Massenstromdichte des die Verdampferrohre 11 durchströmenden Strömungsmediums S ausgelegt ist. Durch eine geeignete Wahl der Flossenverbindungen und der Rohrinnendurchmesser D ist zudem erreicht, daß der Anteil des Reibungsdruckverlusts am Gesamtdruckverlust so gering ist, daß sich ein Naturumlaufverhalten einstellt: Stärker beheizte Verdampferrohre 11 werden stärker durchströmt als schwächer beheizte Verdampferrohre 11. Damit wird erreicht, daß die vergleichsweise stark beheizten Verdampferrohre 11 in Brennernähe spezifisch - bezogen auf den Massenstrom - annähernd ebensoviel Wärme aufnehmen wie die vergleichsweise schwach beheizten Verdampferrohre 11 am Brennkammerende. Eine weitere Maßnahme, die Durchströmung der Verdampferrohre 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 an die Beheizung anzupassen, ist der Einbau von Drosseln in einen Teil der Verdampferrohre 11 oder in einen Teil der Leitungen des Leitungssystems 19. Die Innenberippung der Verdampferrohre 11 ist dabei derart ausgelegt, daß eine ausreichende Kühlung der Verdampferrohrwände sichergestellt ist. Somit weisen mit den oben genannten Maßnahmen alle Verdampferrohre 11 annähernd gleiche Austrittstemperaturen auf.
Um eine günstige Durchflußcharakteristik des Strömungsmediums S durch die Umfassungswände der Brennkammer 4 und damit eine besonders gute Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu erreichen, sind die Verdampferrohre 11 der Stirnwände 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 jeweils den Verdampferrohren 11 der Seitenwände 10 der Brennkammer 4 bzw. 5 strömungsmediumsseitig vorgeschaltet.
Der Horizontalgaszug 6 weist eine Anzahl von als Schottheizflächen ausgebildeten Überhitzerheizflächen 22 auf, die in hängender Bauweise annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases G angeordnet und deren Rohre für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet sind. Die Überhitzerheizflächen 22 werden überwiegend konvektiv beheizt und sind strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 nachgeschaltet.
Der Vertikalgaszug 8 weist eine Anzahl von überwiegend konvektiv beheizbaren Konvektionsheizflächen 26 auf, die aus annähernd senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 24 des Heizgases G angeordneten Rohren gebildet sind. Diese Rohre sind für eine Durchströmung des Strömungsmediums S jeweils parallel geschaltet. Außerdem ist in dem Vertikalgaszug 8 Economizer 28 angeordnet. Ausgangsseitig mündet der Vertikalgaszug 8 in einen weiteren Wärmetauscher, z.B. in einen Luftvorwärmer und von dort über einen Staubfilter in einen Kamin. Die dem Vertikalgaszug 8 nachgeschalteten Bauteile sind in Figur 1 nicht näher dargestellt.
Der Dampferzeuger 2 ist in horizontaler Bauweise mit besonders niedriger Bauhöhe ausgeführt und somit mit besonders geringem Herstellungs- und Montageaufwand errichtbar. Hierzu weisen die Brennkammern 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2 eine Anzahl von Brennern 30 für fossilen Brennstoff B auf, die an der Stirnwand 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 in der Höhe des Horizontalgaszuges 6 angeordnet sind, wie der Figur 3 zu entnehmen ist.
Damit der fossile Brennstoff B zur Erzielung eines besonders hohen Wirkungsgrads besonders vollständig ausbrennt und Materialschäden der heizgasseitig gesehen ersten Überhitzerheizfläche des Horizontalgaszuges 6 und eine Verschmutzung derselben, beispielsweise durch Eintrag schmelzflüssiger Asche mit hoher Temperatur, besonders zuverlässig verhindert sind, sind die Längen L der Brennkammern 4 und 5 derart gewählt, daß sie die Ausbrandlänge des Brennstoffs B beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2 übersteigen. Die Länge L ist dabei der Abstand von der Stirnwand 9 der Brennkammer 4 bzw. 5 zum Eintrittsbereich 32 des Horizontalgaszugs 6. Die Ausbrandlänge des Brennstoffs B ist dabei definiert als die Heizgasgeschwindigkeit in horizontaler Richtung bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur multipliziert mit der Ausbrandzeit t_A des Brennstoffs B. Die für den jeweiligen Dampferzeuger 2 maximale Ausbrandlänge ergibt sich beim Vollastbetrieb des Dampferzeugers 2. Die Ausbrandzeit t_A des Brennstoffs B wiederum ist die Zeit, die beispielsweise ein Kohlenstaubkorn mittlerer Größe zum vollständigen Ausbrennen bei einer bestimmten mittleren Heizgastemperatur benötigt.
Um eine besonders günstige Ausnutzung der Verbrennungswärme des fossilen Brennstoffs B zu gewährleisten, sind die Längen L (angegeben in m) der Brennkammern 4 bzw. 5 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 T_BRK (angegeben in °C), der Ausbrandzeit t_A (angegeben in s) des fossilen Brennstoffs B, dem BMCR-Wert W (angegeben in kg/s) des Dampferzeugers 2 und der Anzahl N der Brennkammern 4, 5 geeignet gewählt. Dabei steht BMCR für Boiler maximum continuous rating. BMCR ist ein international üblicherweise verwendeter Begriff für die höchste Dauerleistung eines Dampferzeugers. Diese entspricht auch der Auslegungsleistung, also der Leistung bei Vollastbetrieb des Dampferzeugers. Diese horizontale Länge L der Brennkammern 4 und 5 ist dabei größer als die Höhe H der Brennkammer 4 bzw. 5. Die Höhe H wird dabei von der Trichteroberkante der Brennkammer 4 bzw. 5, in Figur 1 durch die Linie mit den Endpunkten X und Y markiert, bis zur Brennkammerdecke gemessen. Die Länge L wird nur einmal bestimmt und gilt dann für jede der N Brennkammern 4 bzw. 5. Dabei bestimmt sich die Länge L der beiden Brennkammern 4 und 5 näherungsweise über die beiden Funktionen (1) und (2) $L (W N t_{A}) = (C_{1} + C_{2} \cdot W / N) \cdot t_{A}$
$L (W N T_{BRK}) = (C_{3} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{4}) (W / N) + C_{5} {(T_{BRK} - C_{8})}^{2} + C_{6} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{7}$

mit

C₁ = 8 m/s und

C₂ = 0,0057 m/kg und

C₃ = -1,905 . 10^-4 (m · s)/(kg°C) und

C₄ = 0,286 (s · m) /kg und

C₅ = 3 · 10^-4 m/(°C)² und

C₆ = -0,842 m/°C und

C₇ = 603,41 m.
Näherungsweise ist hierbei als eine zulässige Abweichung um +20%/-10% vom durch die jeweilige Funktion definierten Wert zu verstehen. Dabei gilt stets bei einem beliebig aber festen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 der größere Wert aus den Funktionen (1) und (2) für die Länge L der Brennkammern 4 und 5.
Als Beispiel für eine Berechnung der Länge L der Brennkammern 4 bzw. 5, also N = 2, in Abhängigkeit vom BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 sind in das Koordinatensystem gemäß Figur 4 sechs Kurven K₁ bis K₆ eingezeichnet. Dabei sind den Kurven jeweils folgende Parameter zugeordnet:

K₁: t_A = 3s gemäß (1),

K₂: t_A = 2,5s gemäß (1),

K₃ : t_A = 2s gemäß (1),

K₄: T_BRK = 1200°C gemäß (2),

K₅: T_BRK = 1300°C gemäß (2) und

K₆: T_BRK = 1400°C gemäß (2).
Zur Bestimmung der Längen L der Brennkammern 4 bzw. 5, die stets die gleiche Länge L aufweisen, sind somit beispielsweise für eine Ausbrandzeit t_A = 3s und eine Austrittstemperatur T_BRK = 1200°C des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 die Kurven K₁ und K₄ heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L mit N = 2 für die Brennkammern 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L = 29 m gemäß K₄,
von W/N = 160 kg/s eine Länge von L = 34 m gemäß K₄,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L = 57 m gemäß K₄.
Für die Ausbrandzeit t_A = 2,5s und die Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer 4 bzw. 5 T_BRK = 1300°C sind beispielsweise die Kurven K₂ und K₅ heranzuziehen. Daraus ergibt sich bei N = 2 und einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L der Brennkammer 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L =21 m gemäß K₂,
von W/N = 180 kg/s eine Länge von L =23 m gemäß K₂ und K₅,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L =37 m gemäß K₅.
Der Ausbrandzeit t_A = 2s und der Austrittstemperatur des Heizgases G aus der Brennkammer T_BRK = 1400°C sind beispielsweise die Kurven K₃ und K₆ zugeordnet. Daraus ergibt sich bei N = 2 und einem vorgegebenen BMCR-Wert W des Dampferzeugers 2 für die Länge L der Brennkammern 4 und 5
von W/N = 80 kg/s eine Länge von L =18 m gemäß K₃,
von W/N = 465 kg/s eine Länge von L =21 m gemäß K₃ und K₆,
von W/N = 560 kg/s eine Länge von L =23 m gemäß K₆.
Die Flammen F der Brenner 30 sind beim Betrieb des Dampferzeugers 2 horizontal ausgerichtet. Durch die Bauweise der Brennkammer 4 bzw. 5 wird damit eine Strömung des bei der Verbrennung entstehenden Heizgases G in annähernd horizontaler Hauptströmungsrichtung 24 erzeugt. Dieses gelangt über den gemeinsamen Horizontalgaszug 6 in den annähernd zum Boden hin ausgerichteten Vertikalgaszug 8 und verläßt diesen in Richtung des nicht näher dargestellten Kamins.
In den Economizer 28 eintretendes Strömungsmedium S gelangt über die in dem Vertikalgaszug 8 angeordneten Konvektionsheizflächen in das Eintrittssammler-System 16 der Brennkammer 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2. In den vertikal angeordneten, gasdicht miteinander verschweißten Verdampferrohren 11 der Brennkammer 4 bzw. 5 des Dampferzeugers 2 findet die Verdampfung und gegebenenfalls eine teilweise Überhitzung des Strömungsmediums S statt. Der dabei entstehende Dampf bzw. ein Wasser-Dampf-Gemisch wird in dem Austrittssammler-System 18 für Strömungsmedium S gesammelt. Von dort gelangt der Dampf bzw. das Wasser-Dampf-Gemisch in die Wände des Horizontalgaszuges 6 und des Vertikalgaszuges 8 und von dort wiederum in die Überhitzerheizflächen 22 des Horizontalgaszuges 6. In den Überhitzerheizflächen 22 erfolgt eine weitere Überhitzung des Dampfs, der anschließend einer Nutzung, beispielsweise dem Antrieb einer Dampfturbine, zugeführt wird.
Durch die besonders geringe Bauhöhe und kompakte Bauweise des Dampferzeugers 2 ist ein besonders geringer Herstellungs- und Montageaufwand desselben gewährleistet. Die Auslegung des Dampferzeugers 2 für einen vorgegebenen Leistungsbereich und/oder eine bestimmte Qualität des fossilen Brennstoffs B erfordert dabei einen besonders geringen technischen Aufwand. Außerdem können aufgrund des modularen Konzepts der Brennkammer ab einer gewissen Leistungsgröße anstelle einer Brennkammer zwei oder mehrere mit kleinerer Leistung dem gemeinsamen Horizontalgaszug 6 parallel vorgeschaltet sein.

Claims

Dampferzeuger (2) mit einem Verbrennungsraum, der wenigstens eine erste und eine zweite Brennkammer (4, 5) aufweist und die erste und die zweite Brennkammer (4, 5) jeweils eine Anzahl von Brennern (30) für fossilen Brennstoff (B) aufweisen und für eine annähernd horizontale Hauptströmungsrichtung (24) des Heizgases (H) ausgelegt sind, wobei die erste Brennkammer (4) und die zweite Brennkammer (5) in einen heizgasseitig einem Vertikalgaszug (8) vorgeschalteten gemeinsamen Horizontalgaszug (6) münden, wobei eine Anzahl von Brennern (30) jeweils an einer Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) und an einer Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch den Abstand von der Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) und von der Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) zum Eintrittsbereich (32) des Horizontalgaszugs (6) definierte Länge (L) der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) mindestens gleich der Ausbrandlänge des Brennstoffs (B) beim Volllastbetrieb des Dampferzeugers (2) ist.
Dampferzeuger nach Anspruch 1, bei dem die Länge (L) der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) als Funktion des BMCR-Werts (W), der Anzahl N der Brennkammern (4, 5), der Ausbrandzeit (t_A) der Brenner (30) und/oder der Austrittstemperatur (T_BRK) des Heizgases (H) aus der ersten Brennkammer (4) und der zweiten Brennkammer (5) näherungsweise gemäß den beiden Funktionen (1) und (2) $L (W N t_{A}) = (C_{1} + C_{2} \cdot W / N) \cdot t_{A}$
$L (W N T_{BRK}) = (C_{3} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{4}) (W / N) + C_{5} {(T_{BRK} - C_{8})}^{2} + C_{6} \cdot (T_{BRK} - C_{8}) + C_{7}$

mit C₁ = 8 m/s und C₂ = 0,0057 m/kg und C₃ = -1,905 · 10^-4 (m · s) / (kg°K) und C₄ = 0,286 (s · m)/kg und C₅ = 3 · 10^-4 m/(°K)² und C₆ = -0,842 m/°K und C₇ = 603,41 m und C₈ = 273,15 K

gewählt ist, wobei für einen BMCR-Wert (W) der jeweils größere Wert der Länge (L) für die erste Brennkammer (4) und die zweite Brennkammer (5) gilt.
Dampferzeuger (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl die Stirnwand (9) der ersten Brennkammer (4) als auch die Stirnwand (9) der zweiten Brennkammer (5) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) gebildet ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Seitenwände (10) der ersten Brennkammer (4) und die Seitenwände (10) der zweiten Brennkammer (5) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren (11) gebildet sind, wobei jeweils eine Anzahl der Verdampferrohre (11) parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbar ist.
Dampferzeuger (2) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (11) auf ihrer Innenseite ein mehrgängiges Gewinde bildende Rippen (40) tragen.
Dampferzeuger (2) nach Anspruch 5, bei dem ein Steigungswinkel (α) zwischen einer zur Rohrachse senkrechten Ebene (41) und den Flanken (42) der auf der Rohrinnenseite angeordneten Rippen (40) kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 55°, ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Seitenwände (10) des Horizontalgaszuges (6) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (14) gebildet sind.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Seitenwände (13) des Vertikalgaszuges (8) aus gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten, parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Dampferzeugerrohren (15) gebildet sind.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Anzahl der Verdampferrohre (11) jeweils eine Drosseleinrichtung aufweist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Leitungssystem (19) zur Zuführung von Strömungsmedium (S) in die Verdampferrohre (11) der Brennkammer (4) vorgesehen ist, wobei das Leitungssystem (19) zur Reduzierung des Durchflusses des Strömungsmediums (S) eine Anzahl von Drosseleinrichtungen, insbesondere Drosselarmaturen, aufweist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem benachbarte Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 14, 15) über Flossen gasdicht miteinander verschweißt sind, wobei die Flossenbreite abhängig von der jeweiligen Position der Verdampfer- bzw. Dampferzeugerrohre (11, 14, 15) in der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5), des Horizontalgaszugs (6) und/oder des Vertikalgaszugs (8) gewählt ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Rohrinnendurchmesser (D) einer Anzahl der Verdampferrohre (11) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) abhängig von der jeweiligen Position der Verdampferrohre (11) in der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) gewählt ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem jeweils einer Anzahl von parallel mit Strömungsmedium (S) beaufschlagbaren Verdampferrohren (11) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) strömungsmediumsseitig ein gemeinsames Eintrittssammler-System (16) vorgeschaltet und ein gemeinsames Austrittssammler-System (18) nachgeschaltet ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Verdampferrohre (11) der Stirnwände (9) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) strömungsmediumsseitig den Verdampferrohren (11) der Seitenwände (10) der ersten Brennkammer (4) bzw. der zweiten Brennkammer (5) vorgeschaltet sind.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem in dem Horizontalgaszug (6) eine Anzahl von Überhitzerheizflächen (22) in hängender Bauweise angeordnet ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem in dem Vertikalgaszug (8) eine Anzahl von Konvektionsheizflächen (26) angeordnet ist.
Dampferzeuger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Verbrennungsraum (30) in modularer Bauweise aufgebaut ist, und ein erstes Modul die erste Brennkammer (4) umfasst und ein zweites Modul die zweite Brennkammer (5) umfasst.
Dampferzeuger (2) nach Anspruch 17, bei dem der Verbrennungsraum aus gleichartigen Modulen aufgebaut ist.